sábado, 19 de noviembre de 2011

Resolver los siguientes problemas

Calorimetría: se denomina calorimetría a la medición y el cálculo de las cantidades de calor que intercambia un sistema.
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada, el cuerpo alcanzará una mayor variación de la temperatura. Es posible verificar experimentalmente que entre el calor y la temperatura existe una relación de proporcionalidad directa. La constante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de su masa, y resulta el producto del calor específico por la masa del cuerpo.
Por lo tanto la ecuación que permite calcular intercambios de calor es: 
Por convención, se adopta el signo positivo para Q cuando la variación de temperatura es mayor que cero, es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura. En caso contrario, cuando la variación de temperatura es menor que cero, el cuerpo disminuye su temperatura y el signo de Q será negativo.


1) ¿Qué cantidad de calor absorbió una masa de 4 g de cinc (Ce = 0,093 cal/g.°C) al pasar de 20 °C a 180 °C?
2) Una masa de plomo (Ce = 0,03 cal/g.°C) de 350 g absorbió 1750 cal. Calcular la variación de temperatura que sufrió.
3) Calcular la cantidad de calor absorbida por 200 g de plomo al ser calentado desde 30 °C hasta 420 °C
4) ¿Cuál será el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un horno industrial que le suministra 20 kcal? calor específico del hierro: 0,113 cal/g.ºC
5) Calcular la cantidad de calor necesaria en Kcal y J que deben ceder 2000 g de agua que se encuentra en su punto de ebullición para disminuir su temperatura hasta 20 ºC
6) ¿Qué cantidad de calor es necesaria entregar a un cuerpo de plomo (Ce= 0,03 cal/g.ºC) de 20 g, para que su temperatura aumente 8 ºC?
7) ¿Qué cantidad de calor es necesaria entregar en cal y J a un cuerpo de aluminio (Ce= 0,212 cal/g.ºC) de 1200 g, para que su temperatura aumente 30 ºC? 
8) Calcular el calor específico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de masa, sabiendo que para elevar su temperatura 6 ºC se necesitan 96 cal.
9) Se colocan 500 g de agua líquida a 10 ºC en un calorímetro ideal (se desprecia el intercambio de calor del calorímetro) y se la mezcla con 1000 g de agua a 70 ºC. Calcular la temperatura de equilibrio de esta mezcla.
Calorímetro
10) Completar: 
- 1 g de agua a 20 ºC + 1 cal = 1 g de agua a ........
- 1 g de aluminio a 20 ºC + 1 cal = 1 g de aluminio a ........
- 1 g de hierro a 20 ºC + 1 cal= 1 g de hierro a ........
- 1 g de plata a 20 ºC + 1 cal= 1 g de plata a ........

jueves, 17 de noviembre de 2011

Intercambio de energía por radiación

Absorción y reflexión de radiación
La absorción y la reflexión son dos de los procesos que sufre la radiación solar al pasar por la atmósfera, donde esta radiación es modificada como consecuencia de su interacción con los gases y las partículas suspendidas en la misma.
En general, la absorción es la asimilación de una sustancia por otra. En este caso, se puede definir como el proceso por el cual la radiación solar es tomada o retenida por una sustancia y convertida en otras formas de energía, en general energía térmica. La Ley de Conservación de la Energía está implícita en esta afirmación: la convicción de que la energía no se gana ni se pierde, sino que se transforma.
Del rayo solar original, de 100 unidades, tan solo 50 son absorbidas por la superficie de la Tierra. La atmósfera absorbe 16 unidades y las nubes 4. Esto significa que las otras 30 unidades se pierden en los procesos de dispersión y reflexión, como se explicará más adelante.
Estas son cifras promedio; es importante señalar que los valores pueden variar según la ubicación. Por ejemplo, en las latitudes altas, como el ángulo solar es menor, la emisión solar atraviesa una porción más ancha de la atmósfera que en las latitudes más bajas. Como consecuencia, hay más probabilidades de que el rayo sea interceptado, esparcido o reflejado en las latitudes altas que en lugares donde el Sol cae más verticalmente. En las latitudes altas, la superficie de la Tierra absorbe una cantidad menor.
Nuevamente, de acuerdo a la Ley de Conservación de la Energía, la mayor parte de estas 20 unidades de energía solar absorbida por la atmósfera y las nubes se aplican al aumento de la energía cinética de las moléculas que conforman la atmósfera. Este aumento se manifiesta como calentamiento del aire.
Es importante mencionar que las moléculas son absorbentes selectivos. Como resultado del pasaje de energía radiante de una fuente continua (el Sol), a través de un medio selectivamente absorbente más frío que la fuente (la atmósfera), se crea una serie de líneas y bandas de absorción que constituyen el espectro de absorción. La banda de absorción se define como un rango de longitudes de onda o frecuencias en el cual una sustancia absorbe energía radiante.
Como resultado de la creación de energía calórica, la sustancia también emite su propia radiación. En general, la absorción de radiación solar por parte de sustancias en la atmósfera de la Tierra tiene como resultado temperaturas inferiores a 1.800° Celsius. Según la Ley de Wien, los cuerpos con temperaturas a este nivel o inferiores emiten su radiación en la banda de onda larga. Una gran proporción de su radiación se pierde en el espacio.
La reflexión es otro proceso que modifica la radiación solar entrante en la atmósfera. La reflexión es el proceso por el cual “una superficie de discontinuidad devuelve una porción de la radiación incidente al medio por el cual llegó la radiación”. La luz solar es redirigida en 180° luego de incidir en una partícula atmosférica. Como establece la Ley de Snell, la energía es reflejada por una superficie con el mismo ángulo con el que inicialmente incidió sobre esa superficie. Esta redirección causa una pérdida de la radiación solar entrante del 100 %. Es muy importante tomar en cuenta la reflexión ya que cerca de un tercio de la energía del Sol es reflejada. Si no fuera por la reflexión, sería imposible ver gran parte del mundo que nos rodea, ya que los objetos opacos deben reflejar la luz para ser vistos. La discontinuidad que mencionamos cuando definimos la reflexión debe ser significativa con respecto al largo de onda de la radiación. De otro modo la energía podría ser devuelta por medio de refracción (el proceso por el cual la insolación es redirigida hacia una nueva trayectoria luego de penetrar otro medio), en lugar de reflexión. Un ejemplo de esto es un manto estratificado de nubes donde ocurriría más refracción que reflexión.
De toda la luz solar que pasa a través de la atmósfera anualmente, tan sólo el 51% está disponible en la superficie de la Tierra para funciones tales como la fotosíntesis, calor, evaporación, etc. Al igual que en la atmósfera, parte de la radiación recibida en la superficie de la Tierra es redirigida nuevamente al espacio por reflexión.
La reflectividad o albedo se define como la proporción de luz solar entrante que es reflejada. La reflectancia combinada de la atmósfera y la superficie de la Tierra es de alrededor del 30 %. La mayor parte de la reflexión en nuestra atmósfera tiene lugar en las nubes cuando la luz es interceptada por partículas de líquido y agua congelada. La reflectividad de una nube varía entre el 40 y el 90 %.  
En resumen, una gran proporción de la radiación solar entrante que llega a la Tierra y su atmósfera –70%- es absorbida (la superficie de la Tierra absorbe el 50%, las nubes el 4% y las moléculas de aire el 16%). El 30% restante es reflejado de vuelta al espacio.

La radiación 
La radiación es un factor importante en el proceso de transformar la energía solar en estado del tiempo. En términos generales se define como energía que es transmitida en forma de rayos, ondas o partículas. En muchas circunstancias, la luz se comporta como trenes de ondas de diferente longitud de onda, pero en cambio, algunos experimentos indican que se comporta como corrientes de partículas de energía radiante, conocidas como fotones. En resumen, la radiación solar es una forma de energía transmitida por el sol, compuesta de fotones, que son partículas con propiedades de onda, como ser longitud de onda. La radiación electromagnética emitida por el sol muestra una amplia gama de longitud de onda.
Esta variedad de energía radiante es conocida como el espectro electromagnético; la luz visible es solo una pequeña porción del mismo. Parte de esta energía es ultravioleta (a la derecha del espectro –longitud de onda más corta y fotones más energéticos), necesaria para completar el proceso de fotosíntesis, responsable del crecimiento de las plantas y otra parte de esta energía es recibida en una longitud de onda infrarroja (hacia la izquierda del espectro –longitud de onda más larga y fotones menos energéticos) responsable de calentar la Tierra. Afortunadamente, la tan peligrosa radiación ionizante, los rayos X y Gamma (a la derecha del espectro) no penetran la atmósfera terrestre.
La radiación solar no se distribuye uniformemente a través del mundo por ciertas variables como la altitud solar, asociada con la latitud y la estación del año, además de las condiciones atmosféricas, como son la cobertura nubosa y los diferentes grados de polución de cada zona. El total de radiación solar recibida a nivel de suelo consiste en radiación directa e indirecta (dispersada, difundida o reflejada). Además de ello, dependiendo del tipo de superficie que toca, la radiación es absorbida o reflejada en proporciones variadas; estos, absorción y reflexión, son fenómenos atmosféricos asociados. De hecho, la energía solar es absorbida por la Tierra y luego radiada nuevamente hacia la atmósfera como radiación infrarroja de onda larga; allí es absorbida por nubes, CO2, vapor de agua y otros gases presentes en cantidades mínimas. Parte de la energía es radiada por la atmósfera hacia el espacio y el resto retorna al planeta generando calor. Este proceso es conocido como Efecto Atmosférico, comúnmente denominado Efecto Invernadero.
La radiación solar es progresivamente más apreciada, no sólo por su bien conocida influencia en la vida, sino por las posibilidades de aplicación para propósitos humanos. Comparada con las diferentes formas de energía renovable, la radiación solar es una fuente perpetua de energía natural, con un gran potencial para una variada gama de aplicaciones gracias a su abundancia y accesibilidad.

El efecto invernadero
En términos simples, hay ciertos gases en la atmósfera que permiten la entrada de radiación solar pero restringen el flujo de salida de la radiación infrarroja, almacenando el calor al absorberlo y re-emitirlo, lo cual causa un calentamiento neto de la superficie. La magnitud de este calentamiento aumentado es conocido como el efecto invernadero, que cumple un papel preponderante en el mantenimiento de un ambiente favorable para la vida en la Tierra.
Los gases mencionados incluyen al vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano, el ozono troposférico, los CFC y el óxido nitroso. Para explicarlo mejor: la mayor parte de la luz solar que incide en la Tierra pasa a través de la atmósfera y es absorbida por la superficie terrestre. La superficie trata de mantener un equilibrio de energía, en parte mediante la emisión de su propia radiación. La mayor parte del calor irradiado por la superficie terrestre es absorbido por trazas de gases en la atmósfera inmediata y re-emitido en todas las direcciones.
El efecto invernadero es, de hecho, natural y necesario, haciendo posible la vida en la Tierra; el problema está dado cuando hay un aumento del mismo.
Es tan natural y necesario que si no existiera el efecto invernadero, la temperatura del mundo sería determinada por la cantidad de radiación solar entrante que calienta su superficie. A través de complejos cálculos y la aplicación de la ley de Stephan-Boltzmann, se estableció que la temperatura efectiva de la Tierra es de 253 K.
A una temperatura de 253K, la Tierra sería un lugar muy inhóspito, un mundo congelado. Sin embargo, las mediciones actuales indican que la temperatura media de nuestro planeta promediada a lo largo de un año y en todas las latitudes es alrededor de 288K, en lugar de 253K. Esta diferencia se debe al efecto invernadero.
El calentamiento global, es el calentamiento de la atmósfera por encima del efecto invernadero natural y beneficioso. El forzamiento radioactivo del sistema Tierra-atmósfera es el equilibrio o desequilibrio de la radiación solar absorbida y onda larga emitida (presupuesto energético) cuya magnitud puede cambiar debido a cualquier alteración en los siguientes factores: constante solar, albedo superficial, composición atmosférica y temperatura.
Nos concentraremos en la composición atmosférica: gases de invernadero y partículas sólidas. Las concentraciones de gases de invernadero en la atmósfera han aumentado y disminuido naturalmente durante miles de millones de años, creando períodos fríos y cálidos en la historia del planeta. Por ejemplo, los científicos creen que la progresión de la Era del Hielo tuvo que ver con el hecho de que la cantidad de dióxido de carbono natural en la atmósfera disminuyó a lo largo de miles de años, reduciendo el efecto invernadero, y enfriando el globo.
En realidad, cada gas de invernadero tiene su propio e importante papel en cuanto a la retención que realiza del calor del sol; entre ellos, se destaca el del vapor de agua, seguido por el dióxido de carbono. Algunos gases retienen la radiación solar mejor que otros. Por ejemplo, los CFC; si bien son de los gases menos abundantes, tienen un impacto relativo mayor que muchos otros, por su asombrosa capacidad de retención de la radiación solar.
Muchos climatólogos argumentan que estamos aumentando artificialmente el efecto invernadero, lo cual originaría problemas en el futuro; esto sucede fundamentalmente a través de la emisión industrial de gases de invernadero, especialmente el dióxido de carbono (CO2) y los aerosoles.
En el 2001, el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático concluyó que “es probable que la mayor parte del calentamiento observado en los últimos 50 años haya sido debido al aumento en las concentraciones de gases de invernadero”. El promedio de la temperatura global cerca de la superficie ha aumentado alrededor de medio grado centígrado en los últimos 100 años. Esta tendencia observada continúa a pesar de la influencia de la erupción del volcán Monte Pinatubo, la cual causó emisiones volcánicas (ácido sulfúrico) que redujeron la radiación solar entrante durante casi dos años.
En general, los científicos no piensan que esto se deba a causas naturales, sino al efecto invernadero aumentado, que deriva del crecimiento en las concentraciones de gases de invernadero, producido por las actividades industriales humanas. A pesar de que hay muchas incertidumbres, los científicos sugieren que las emisiones de gases de invernadero y aerosoles podrían llevar a un aumento de las temperaturas medias globales de entre 1 a 4 grados centígrados, hacia fines del próximo siglo. Esta tendencia al calentamiento global causará cambios significativos en el clima a nivel mundial, traduciéndose en cambios a nivel socio-demográfico. La humanidad y su calidad de vida, dependen ciertamente en alto grado del clima de nuestro planeta, que a su vez afecta a los alimentos, el agua y demás recursos de los que dependemos.
Se prevé que el calentamiento global tenga efectos muy variados de un lugar a otro: algunas zonas se volverían más secas mientras que otras, más húmedas; las sequias y las olas de calor se tornarían más comunes y la polución podría empeorar. Hay muchos elementos vitales cuya conservación depende de patrones de clima estables o por lo menos de cambios progresivos. Los cambios están sucediendo ahora demasiado rápidamente. Es de notar que las precipitaciones ya han aumentado 1% en el último siglo en todo el mundo, lo cual es mucho; también las precipitaciones extremas se han vuelto más frecuentes. Los recursos acuáticos, los bosques, la vida animal, las áreas costeras, los humedales y la salud... todos se verán seriamente afectados.
Podemos resumir el impacto del calentamiento global en tres áreas claves: cambios en el clima, cambios en el nivel del mar y cambios en la flora y fauna.
Los cambios regionales del clima como consecuencia del calentamiento global son difíciles de predecir con exactitud. Mientras algunos científicos hablan de un aumento en la frecuencia de las tormentas tropicales, otros predicen una disminución. Mientras algunos pronostican un debilitamiento de las áreas de alta y baja presión y las corrientes oceánicas que transportan el calor hacia los polos, otros esperan circulaciones más enérgicas.
Lo que es seguro es que aún hay mucho por aprender y los científicos atmosféricos tienen un arduo trabajo por hacer. En cuanto a los cambios en los mares, una de las consecuencias previstas del calentamiento global es el aumento del nivel del mar, entre unos 30 y 65 centímetros. Hay gran preocupación, especialmente en las costas bajas, en las cuales la erosión, las inundaciones ocasionales y las temporadas de tormentas frecuentes podrían tener consecuencias trágicas. La flora y la fauna también podrían ser fuertemente afectadas; el calentamiento global podría causar la extinción de algunas especies y la migración de otras. Además, la producción de alimentos, vegetales y ganado también se vería afectada severamente, especialmente en los países pobres, donde la inversión no puede compensar la acción del cambio climático mediante, por ejemplo, sistemas de irrigación que mitiguen la acción de las sequias.
La manera más inteligente de responder al calentamiento global es reducir las emisiones de gases de invernadero, además de encontrar un modo de manejar el efecto invernadero aumentado ya existente con medidas tecnológicas compensatorias. Este planteo es muy controvertido ya que requiere un manejo estratégico del calentamiento por medio de la alteración de las condiciones medioambientales, tal como liberar algunos contaminantes que tienen un efecto enfriante. La opción menos controversial para los gobiernos es adoptar la política de enlentecer o detener la deforestación y promover la reforestación (claro que siempre hay importantes intereses económicos en juego, que pueden abortar iniciativas de esta naturaleza). Algunas otras medidas sugeridas se basan en teorías como la de fertilización con hierro en los océanos del sur, promoviendo así el crecimiento de fitoplancton, el cual a través de la fotosíntesis, extraería grandes cantidades de CO2 de la atmósfera. Esto no se llevó a cabo, ya que las fases experimentales no fueron suficientemente exitosas.

Aplicaciones de la energía solar
Entre las múltiples aplicaciones de la energía solar se encuentran su aprovechamiento como luz directa, como fuente de calor y en la generación de electricidad principalmente, a continuación se amplia cada uno de estos usos:
Directa
Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación. Otra aplicación directa, muy común, es el secado de ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple.
Térmica
La energía solar puede utilizarse para el calentamiento de algún sistema que posteriormente permitirá la climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, entre otros, son aplicaciones térmicas. Actualmente existen diversas Centrales Solares Térmicas generando energía en el mundo, cuya base de funcionamiento es el uso indirecto de la energía solar.
Fotovoltaica
Es la energía solar aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas (celda solar, auto solar), capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico, sin necesariamente pasar por un efecto térmico. Para lograr esto la energía solar se recoge de una forma adecuada. El calor se logra mediante los colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos.
Los sistemas de aprovechamiento térmico permiten que el calor recogido en los colectores pueda destinarse y satisfacer numerosas necesidades.
Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien generar calefacción a casas, hoteles, colegios, fábricas, entre otros. Incluso se pueden climatizar las piscinas para permitir su uso durante gran parte del año en aquellos países donde se presentan las estaciones.
Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Las "células solares", dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes.
La electricidad que se obtiene de esta manera puede usarse de forma directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio. Las células solares están hechas con obleas (láminas) finas de silicio, arseniuro de galio u otro.
Hornos solares
Los hornos solares son una aplicación importante de los concentradores de alta temperatura. El mayor, situado en Odeillo, en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total de unos 1.900 m2 para producir temperaturas de hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales, que requieren temperaturas altas en entornos libres de contaminantes.
Enfriamiento solar
Se puede producir frío con el uso de energía solar como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por absorción. Uno de los componentes de los sistemas estándar de enfriamiento por absorción, llamado generador, necesita una fuente de calor. En general, se requieren temperaturas superiores a 150 °C para que los dispositivos de absorción trabajen con eficacia, los colectores de concentración son más apropiados que los de placa plana.

Emisión, absorción y reflexión de radiación
Calor
La energía infrarroja es la que experimentamos en la forma de calor de todos los días, como la luz del sol, un incendio, un radiador o una acera caliente. Esto está entre las secciones visibles y de microondas del espectro electromagnético. La luz infrarroja tiene un rango de longitudes de onda desde la luz roja hasta la violeta. El porcentaje de energía radiante emitida por intervalo de unidad de longitud de onda es llamado función de la distribución de la energía espectral
Como se indica en el diagrama más abajo, solamente una banda angosta entre 380 nm y 780 nm del espectro solar recibida en la superficie de la tierra es visible al ojo humano, mientras que la radiación bajo 380 nm (ultravioleta) y alrededor de 3000 nm (casi infrarroja) y más allá es invisible.
Cuando los rayos infrarrojos chocan con la superficie del vidrio, éstos son: reflejados, transmitidos o absorbidos.
Reflexión
La reflexión solar es la habilidad de la superficie de un material, vidrio en este caso, de reflejar la luz del sol (incluyendo la longitud de onda visible, infrarroja, y ultravioleta) en una escala de 0 a 1. La reflexión solar también se llama “albedo”. Un valor albedo de 0.0 indica que la superficie absorbe toda la radiación solar, y un valor albedo de 1.0 representa reflexión total.
Índice de Reflexión Solar
Es un valor que incorpora la reflexión y la emisión en un solo valor para representar la temperatura de un material en el sol. Este índice cuantifica cuan caliente se puede poner una superficie relativo al negro y blanco estándar. Se calcula usando ecuaciones basadas en valores medidos previamente de reflexión y emisión. Se expresa como fracción (0.0 a 1.0) o porcentaje (0% a 100%)
Transmisión
La transmisión es el porcentaje de luz visible o energía solar que, incidiendo en forma normal pasa directamente a través del vidrio. Por ejemplo, cuando la luz del sol choca con la superficie de un vidrio un porcentaje de luz es absorbida por el vidrio, otra parte se refleja de vuelta hacia la atmósfera y otra parte es transmitida a objetos cercanos o hacia abajo de la tierra.
Emisividad es la habilidad de la superficie de absorber o emitir la radiación electromagnética. El vidrio naturalmente tiene una alta emisividad. Sin embargo, cuando se utiliza un vidrio con un revestimiento de baja emisividad (Low– E) la superficie del vidrio no absorbe la energía radiante si no que la refleja de vuelta hacia el interior mejorando el valor U del vidrio.
Transmisión de Calor Solar:
Es la cantidad total de calor que pasa a través del vidrio. Se mide a través del Coeficiente de Sombra.
Absorción
Todo el calor absorbido produce calor.
El calor fluye desde las temperaturas más frías a las más calientes. Por esta razón, el calor producido por absorción eleva la temperatura del material por debajo de la superficie, que es conducida al material o disipada de la superficie a los alrededores por reirradiación, conducción, y convección.

Centrales energéticas

Hidroeléctricas
Son aquellas que utilizan energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda. En general estas centrales utilizan la energía potencial que posee la masa de agua de un cauce natural en los desniveles. El agua cuando cae en dos niveles de altura, se hace pasar por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un alternador en el cual la convierte en energía eléctrica.
Principalmente: La construcción y operación de la represa y el embalse constituyen la fuente principal de impactos del proyecto hidroeléctrico. Los proyectos de las presas de gran alcance pueden causar cambios ambientales irreversibles, en un área geográfica muy extensa. El área de influencia de una represa se extiende desde los límites superiores del embalse hasta los esteros y las zonas costeras y costa afuera, e incluyen el embalse, la represa y la cuenca del río, aguas abajo de la represa. Hay impactos ambientales directos asociados con la construcción de la represa (p.ej., el polvo, la erosión, problemas con el material prestado y de los desechos), pero los impactos más importantes son el resultado del embalse del agua, la inundación de la tierra para formar el embalse, y la alteración del caudal de agua, aguas abajo. Estos efectos ejercen impactos directos en los suelos, la vegetación, la fauna y las tierras silvestres, la pesca, el clima y la población humana del área.
Térmicas
Son las instalaciones que son empleadas para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural i carbón. Este calor es usado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador i producir energía eléctrica. También están las centrales térmicas que usan la fisión nuclear del uranio para producir electricidad.
Hay dos tipos de centrales térmicas:
- Centrales térmicas clásicas.
- Centrales térmicas de ciclo combinado.
Las ventajas de estas centrales son, que son más baratas de construir, sobre todo las de carbón. Las centrales de ciclo combinado de gas natural, son mucho más eficientes que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía eléctrica generada con la misma cantidad de combustible.
Inconvenientes: el uso de combustibles fósiles genera emisiones de gases de efecto invernadero y de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes (en el caso del carbón) que pueden contener metales pesados.
Dentro del impacto ambiental hay que distinguir entre efectos directos, producidos por las emisiones contaminantes en sí, y efectos indirectos, como los que se producen al transferir la contaminación atmosférica primaria a las aguas (evacuación de aguas residuales no tratadas procedentes del lavado de gases), al explotar piedra caliza para la desulfuración y al transportar la piedra caliza desde el lugar de explotación hasta la central térmica (gases de escape de los camiones). Además pueden surgir otros problemas asociados, como la necesidad de eliminar el yeso producido al desulfurar el gas de combustión.
Las posibles medidas correctoras son:
-Incentivos para el uso eficiente y el ahorro de energía (en el caso de la electricidad, por ejemplo, introducción de tarifas e impuestos que cubran los costos).
-Selección adecuada del emplazamiento de la central.
- Reducción de inmisiones (por ejemplo, aumento de la altura de la chimenea de la central térmica).
- Medidas primarias para eliminar o reducir las emisiones contaminantes (por ejemplo, uso de gas natural en lugar de carbón por ser menos contaminante, mezcla de combustibles de distinta calidad para reducir las emisiones máximas alcanzadas, aumento de la eficiencia, modificación técnica de las condiciones de combustión para limitar las emisiones de NOx) Medidas secundarias; es decir, tratamiento del humo para eliminar los contaminantes.
Nuclear
Una central nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear, que se caracteriza por el empleo de materiales fisionables que mediante reacciones nucleares proporcionan calor. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica.
Estas centrales constan de uno o varios reactores.
La energía nuclear que producen estas centrales, produce residuos nucleares que hay que albergar en depósitos aislados y controlados durante largo tiempo. Pero no produce contaminación atmosférica de gases derivados de la combustión que producen el efecto invernadero, ni precisan el empleo de combustibles fósiles para su operación. Sin embargo, las emisiones contaminantes indirectas derivadas de su propia construcción, de la fabricación del combustible y de la gestión posterior de los residuos radiactivos no son despreciables.
La energía nucleoeléctrica es también más benigna para el medio ambiente desde el punto de vista de la gestión de desechos. Además de las grandes cantidades de gases de invernadero y de ácido sulfúrico generadas, una central de carbón de 1000 MW(e) produce anualmente unas 300 000 toneladas de cenizas que contienen, entre otras cosas, materiales radiactivos y metales pesados que terminan en los vertederos y en la atmósfera. En cambio, los desechos radiactivos producidos por una central nuclear de la misma potencia ascienden solo a unas 800 toneladas de desechos de actividad baja y media y a unas 30 toneladas de desechos de actividad alta al año, los cuales pueden aislarse de la biosfera.
De biomasa
Una central de biomasa se ocupa de obtener energía eléctrica mediante los diferentes procesos de transformación de la materia orgánica.
Básicamente el funcionamiento de una central es el siguiente:
1. La biomasa recogida se prepara para transformarla en combustible líquido.
2. Este combustible se quema y se calienta agua.
3. Se produce vapor a alta presión que mueve la turbina y esta a su vez mueve el generador que producirá energía eléctrica.
4. La energía eléctrica producida es transportada por el tendido eléctrica
5. El calor producido por el vapor se transmite en forma de agua caliente.
Ventajas:
1. Es renovable.
2. Es la única fuente de energía que aporta un balance de CO2 favorable, de manera que la materia orgánica es capaz de retener durante su crecimiento más CO2 del que se libera en su combustión.
3. No depende de ninguna fuerza (como en la eólica).
4. Los combustibles que se generan a partir de la biomasa tienen una gran variedad de usos (probablemente sean los únicos combustibles primarios que puedan sustituir a la gasolina para el transporte).
5. La construcción de una central y su mantenimiento generan puestos de trabajo.
6. Es una forma de crear infraestructura rural, abre nuevas oportunidades.
7. Tiene un gran potencial para rehabilitar tierras degradadas.
8. Se evita la contaminación del medio aprovechando los residuos orgánicos para la obtención de energía.
9. Ausencia de emisión de azufres e hidrocarburos altamente contaminantes (lluvia ácida).
10. Obtención de productos biodegradables.
Inconvenientes:
1. Sólo es capaz de aprovechar residuos orgánicos.
2. La construcción de una central provoca alteraciones en el medio natural.
3. Para conseguir un buen aporte energético se necesita gran cantidad de biomasa y por lo tanto ocupar grandes extensiones de tierra en el caso del cultivo energético.
4. Menor coste de producción de la energía proveniente de los combustibles fósiles.
5. Menor rendimiento de los combustibles derivados de la biomasa respecto de los combustibles fósiles.
Estas centrales tienen un pequeño impacto ambiental, su impacto ambiental es menor que el de una central térmica convencional, ya que el combustible que usan es natural, emiten CO2 en menor cantidad.
Alguna posible medida correctora sería instalar filtros en sus chimeneas para que así emitieran aun menos gases contaminantes producentes del efecto invernadero.
Central mareomotriz
La energía de las mareas se transforma en electricidad en las denominadas centrales mareomotrices, que funcionan como un embalse tradicional de río. El depósito se llena con la marea y el agua se retiene hasta la bajamar para ser liberada después a través de una red de conductos estrechos, que aumentan la presión, hasta las turbinas que generan la electricidad. Sin embargo, su alto costo de mantenimiento frena su proliferación.
El lugar ideal para instalar un central mareomotriz es un estuario, una bahía o una ría donde el agua de mar penetre.
La construcción de una central mareomotriz es sólo posible en lugares con una diferencia de al menos 5 metros entre la marea alta y la baja.
El agua, al pasar por el canal de carga hacia el mar, acciona la hélice de la turbina y ésta, al girar, mueve un generador que produce electricidad.
Su impacto ambiental afecta únicamente al mar.
Su única solución es cambiar estas instalaciones por otras más pequeñas de igual rendimiento.
Cuando la marea sube, las compuertas del dique se abren y el agua ingresa en el embalse.
Al llegar el nivel del agua del embalse a su punto máximo se cierran las compuertas.
Durante la bajamar el nivel del mar desciende por debajo del nivel del embalse.
Cuando la diferencia entre el nivel del embalse y del mar alcanza su máxima amplitud, se abren las compuertas dejando pasar el agua por las turbinas.
Una de estas centrales se encuentra en Irlanda del norte.
Fotovoltaica
Son las que la energía eléctrica se obtiene a partir de paneles fotovoltaicos.
La energía solar fotovoltaica nos permite convertir los rayos solares en electricidad limpia sin necesidad de combustibles fósiles o nucleares.
Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtención de voltajes mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. A mayor escala, la corriente eléctrica continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna e inyectar en la red eléctrica, operación que es muy rentable económicamente pero que precisa todavía de subvenciones para una mayor viabilidad.
El impacto ambiental que tiene es la habilitación del terreno, es decir tala de arboles, adaptación del suelo.
Una forma de evitar esto, es implantarlas en el desierto, donde no hay que habilitar nada.
Eólica
Molino es una máquina que transforma el viento en energía aprovechable. Esta energía proviene de la acción de la fuerza del viento sobre unas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria para moler grano, bombear agua o generar electricidad. Cuando el eje se conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de molino de viento. Si se usa para producir electricidad se le denomina generador de turbina de viento.
Generador eólico en Pehuen Có
Energía eólica: Se conoce como energía eólica al aprovechamiento por el hombre de la energía del viento. Antiguamente se utilizó para propulsar naves marinas y mover molinos de grano. Hoy se emplea sobre todo para generar energía limpia y segura.La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, ni contribuye al efecto invernadero, ni a la lluvia ácida. No origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes. Cada Kw.h de electricidad, generada por energía eólica en lugar de carbón, evita la emisión de un Kilogramo de dióxido de carbono-CO2 - a la atmósfera. Cada árbol es capaz de absorber 20 Kg de CO2; generar 20 Kilowatios de energía limpia, tiene el mismo efecto, desde el punto de la contaminación atmosférica, que plantar un árbol.
Ventajas de la energía eólica
Es una fuente de energía segura y renovable.
No produce emisiones a la atmósfera ni genera residuos, salvo los de la fabricación de los equipos y el aceite de los engranajes.
Se trata de instalaciones móviles, cuya desmantelación permite recuperar totalmente la zona.
Rápido tiempo de construcción (inferior a 6 meses).
Beneficio económico para los municipios afectados (canon anual por ocupación del suelo). Recurso autóctono.
Su instalación es compatible con otros muchos usos del suelo.
Se crean puestos de trabajo
Desventajas de la energía eólica
Impacto visual: su instalación genera una alta modificación del paisaje.
Impacto sobre la avifauna: principalmente por el choque de las aves contra las palas, efectos desconocidos sobre modificación de los comportamientos habituales de migración y anidación.
Impacto sonoro: el roce de las palas con el aire produce un ruido constante, la casa mas cercana deberá estar al menos a 200 m. (43dB(A))
Posibilidad de zona arqueológicamente interesante.
Geotérmica
El aprovechamiento óptimo de estos yacimientos se da en calefacción urbana e industrial, como ocurre en Islandia y otros países, en los que existen redes centralizadas de calor, alimentadas con agua a 80-90 °C mediante conductos de hormigón en el subsuelo, aislados con lana de vidrio u otros materiales. La conducción se consigue con pendientes del 5 % y la ayuda de bombas y tanques de reserva para mantener la presión adecuada. 


  1. Se extrae vapor  por una de las perforaciones.
  2. El vapor mueve una turbina con un generador de corriente eléctrica.
  3. La energía eléctrica se entrega a la red.
  4. El agua más fría, luego de mover la turbina, se inyecta por la otra perforación realizada, para asegurar el mantenimiento de la reserva de agua caliente
Central geotérmica
Una central geotérmica es una central termoeléctrica de turbina de vapor alimentada por agua subterránea a alta presión y a temperatura superior a los 150 °C. La función de la caldera la desempeña aquí una red de pozos con profundidades de hasta centenares de metros, que alimenta un separador de agua y vapor (un ciclón, por ejemplo), de donde el vapor seco sale hacia las turbinas y el agua, hacia un silenciador, pasando por un conducto de orificio regulable. De hecho, a la salida de los pozos y hasta el separador, el agua permanece en gran parte en estado líquido, si bien va perdiendo presión y, por lo tanto, se pone a hervir (parte del vapor que va a las turbinas tiene este origen); el flujo de agua centrifugada del separador ya no produce vapor de turbina, pero al perder bruscamente presión en un orificio a la entrada del silenciador (que amortigua el estruendo de la ebullición), emite grandes cantidades de vapor. La presencia de gases y partículas en el vapor requiere ciertos cambios en los materiales y procesos. La realimentación del yacimiento con agua sobrante de la central se basa en la idea de que existe en el mismo más calor (proveniente de un magma profundo) que agua (agua de lluvia infiltrada).
La única central de este tipo en el mundo esta situada en Nesjavellir (Islandia).

miércoles, 16 de noviembre de 2011

Energía

Es todo aquello que puede originar o dar existencia a un trabajo. Es la capacidad que posee la materia para producir calor, trabajo en forma de movimiento, luz, crecimiento biológico, etc. Por materia se entiende cualquier cuerpo sólido, líquido y gaseoso existente.
Transformación de la Energía
Las distintas manifestaciones o formas de energía pueden transformarse unas en otras. Para que estas transformaciones hayan podido realizarse, ha sido fundamental la creación por parte del hombre de maquinarias, que por sí solas no producirían energía.
Una transformación posible de energía seria el caso de la energía potencial o de posición que posee una masa de agua estancada que se transforma en energía cinética cuando cae desde una altura cualquiera (energía hidráulica) por una tubería e incide sobre el rodete de una turbina hidráulica, haciéndola girar (energía mecánica)
Rendimiento
El rendimiento puede ser expresado en función de la energía, el trabajo y la potencia.
Rendimiento en función de la Energía
Cuando se produce un proceso de transformación de energía, la cantidad lograda de la misma (energía útil) es menor a la cantidad inicial, absorbida por la maquinaria (energía total). Esto se debe a la pérdida de energía que tiene lugar durante la transformación (energía perdida).
Energía total = energía útil + energía perdida
Rendimiento = Energía útil / Energía total
Energía útil = energía total – energía perdida
Rendimiento = (energía total – energía perdida) / Energía Total
por lo tanto:
Rendimiento = (1 – energía perdida) / Energía Total
Como consecuencia de la ecuación anterior, se deduce que el rendimiento será siempre un valor inferior a uno y que solo podrá obtenerse el valor 1 en la situación improbable de que no existiese perdida de energía alguna.
El rendimiento más bajo ocurre cuando la energía térmica sufre una transformación en otra forma de energía. En cambio, los rendimientos mas elevados se logran al transformarse la energía eléctrica.
Manifestaciones de la energía
La energía se manifiesta de diferentes maneras:
Las fuentes más naturales e independientes, en las que no existe la intervención directa del hombre son las siguientes:
· Energía solar: casi la totalidad de la energía proviene del sol y se manifiesta a través de radiaciones luminosas, caloríficas y electromagnéticas.
· Energía química: se encuentra contenida en cuerpos combustibles
· Energía bioquímica: está presente en el desarrollo de los seres vivos.
En las siguientes fuentes de energía, el hombre debe participar necesariamente en el control de las mismas:
· Energía hidráulica: esta energía se origina con el movimiento del agua. Este movimiento puede ser consecuencia de la caída de corrientes de agua o de las crecientes y bajadas de las mareas.
· Energía térmica o calorífica: se origina a partir de la combustión de un cuerpo combustible. Es empleada en un radiador eléctrico.
· Energía eólica: es aquella que tiene origen en los vientos.
Principios de la energía
Principio de Conservación de la Energía
Este principio establece que la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma.
Cualesquiera que sean las modificaciones de energía en el interior de un sistema, la cantidad total de energía en el mismo es constante.
Principio de Degradación de la Energía
Cuando se efectúa una transformación de energía de una forma u otra siempre surge energía térmica, aún cuando el objetivo sea otro. Se trata de una energía térmica no utilizable, pero igualmente cumple con el principio de conservación, debido a que no se produce destrucción de energía.
La cantidad de energía que se obtiene en el modo deseado, es siempre menor al valor de la energía empleada en un principio.
Ejemplos:
Al transformarse la energía química potencial del carbón en energía calorífica, y posteriormente en energía mecánica en la turbina de vapor, está última energía constituye una porción débil de la primitiva. El remanente no ha desaparecido ni se ha destruido, sino que se ha transformado en energía térmica no útil. Esta se ha disipado en los diferentes elementos que componen la instalación.
Un motor eléctrico que se encuentra conectado a la red, sufre un calentamiento. Esto se debe a que una parte de la energía eléctrica se transforma en calor, por lo que, el valor de la energía mecánica obtenida, no es igual al de la energía empleada en un principio.
Si se trata de una transformación directa de energía eléctrica en calorífica, puede deducirse que existe una mínima degradación o pérdida.

Escalas de temperatura

La medida de la temperatura ambiental se ha venido realizando, de forma más o menos sistemática, desde los tiempos del Renacimiento. En los siglos sucesivos, se han propuesto varias escalas de medida de temperaturas, basadas principalmente en los puntos de fusión y ebullición del agua como valores de referencia. Entre ellas, la más utilizada en la vida cotidiana es la escala centígrada o Celsius. En cambio, en el ámbito científico se utiliza predominantemente la escala absoluta o Kelvin.
Medida de la temperatura
La temperatura se mide por medio de diversos instrumentos y dispositivos, de los que el más conocido es el termómetro de mercurio. En esencia, todos estos instrumentos se basan en la observación de las llamadas magnitudes termométricas, que son cualidades de los cuerpos susceptibles de modificación por efecto de los incrementos o los descensos de temperatura (por ejemplo, el hierro se enrojece al calentarse).
En los procedimientos de medida aplicados se sustentan las principales escalas termométricas hoy día utilizadas, y que se basan en los puntos de fusión y ebullición del agua para determinar las escalas de graduación de sus valores.
Escala Celsius
El termómetro de mercurio, corrientemente utilizado para medir temperaturas, consiste en una columna de mercurio encerrada en un tubo capilar, de manera que al variar la temperatura se modifica la altura del líquido dentro de la columna. La relación entre la temperatura T y la diferencia de altura de mercurio en el tubo responde a una función lineal de la forma:   
T = mx + b
siendo m la pendiente de la función y b el valor inicial sobre el origen.
Los valores de m y b dependen de la escala termométrica elegida, y suelen fijarse asignando a los puntos de fusión y ebullición del agua valores convencionales concretos.
La escala Celsius, también llamada centígrada, asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del agua y el valor 100 al punto de ebullición del agua, en condiciones de presión normal (igual a 1 atmósfera).Entre estos dos valores se define una escala dividida en cien tramos, cada uno de los cuales corresponde a un grado centígrado o Celsius.
Esta escala, muy utilizada en la vida cotidiana en numerosos países del mundo, admite valores negativos (también referidos como temperaturas «bajo cero»).


Representación gráfica de la temperatura, a modo de una función lineal
Escala Fahrenheit
En la función lineal de la temperatura con respecto a la longitud, es posible elegir los valores de referencia para m y b de otras muchas maneras. En la actualidad, en los países anglosajones aún sigue usándose la escala Fahrenheit, establecida de manera que:
Al punto de congelación del agua en condiciones de presión normal (1 atmósfera) se le asigna el valor 32.
Al punto de ebullición normal del agua se le atribuye el valor 212.
Las relaciones que permiten pasar de un valor en escala Celsius (TC) y a la inversa a Fahrenheit (TF) son las siguientes:  
Escala absoluta
El descubrimiento de que la temperatura posee un valor mínimo insuperable, estimado en ¿273,15 ºC, propició que, en el ámbito científico, se adoptara como base de referencia de la medida de temperaturas la escala absoluta o Kelvin.
Esta escala elige como valor origen el ¿273,15, también llamado cero absoluto, de manera que la equivalencia entre la escala absoluta y la Celsius viene dada por la expresión siguiente:                                  

T = Tc + 273,15 
La unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin.
Gráfica de representación de la escala absoluta o Kelvin. La recta que refleja la función lineal corta al eje de abscisas en el punto de valor - 273,15.

El termómetro de gas diluido
En la medida de temperaturas mediante termómetros se encuentra una dificultad añadida por el hecho de que las magnitudes termométricas utilizadas (por ejemplo, la longitud de una columna de líquido) no son exactamente lineales. Ello introduce un error de medida que puede llegar a ser considerable.
Para evitar este problema se usan termómetros de gas diluido, de mayor precisión, y que se basan en el uso de un gas encerrado en un recipiente con un émbolo (para mantener constante la presión y medir variaciones de volumen como magnitud termométrica) o en un dispositivo que permita mantener constante el volumen del gas para determinar las variaciones de su presión (que se usaría como magnitud termométrica para medir temperaturas).

Problemas:
1) ¿A qué temperatura centígrada corresponde el 0 °F?
2) ¿Qué diferencia existe entre -6 °C y 15 °F?
3) Transformar 30 °C a grados Fahrenheit.
4) Convertir 70 °F a centígrados.
5) ¿A cuantos grados centígrados corresponden 400 °K?
6) Convertir 55 °F a grados Kelvin.
7) Pasar 299 °K a centígrados
8) Convertir -40 °C a Fahrenheit.
9) ¿A qué temperatura Celsius equivalen 33,8 °F?
10) En un termómetro Fahrenheit se observa una marca de 125 °F y en un Celsius se leen 45 °C, ¿cuál de los dos indica mayor estado térmico?

Cantidad de calor
Cuando una sustancia se está fundiendo o evaporándose está absorbiendo cierta cantidad de calor llamada calor latente de fusión o calor latente de evaporación, según el caso. El calor latente, cualquiera que sea, se mantiene oculto, pero existe aunque no se manifieste un incremento en la temperatura, ya que mientras dure la fundición o la evaporación de la sustancia no se registrará variación de la misma.
Para entender estos conceptos se debe conocer muy bien la diferencia entre calor y temperatura.
En tanto el calor sensible es aquel que suministrado a una sustancia eleva su temperatura.
La experiencia ha demostrado que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta.
La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica:

Q = m·Ce·(Tf-Ti)

En palabras más simples, la cantidad de calor recibida o cedida por un cuerpo se calcula mediante esta fórmula, en la cual m es la masa, Ce es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final.  Por lo tanto  Tf – Ti = ΔT (variación de temperatura).

Nota: La temperatura inicial (Ti) se anota también como T0 o como t0.

Si Ti > Tf el cuerpo cede calor Q < 0

Si Ti < Tf el cuerpo recibe calor Q > 0

Se define calor específico (Ce) como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua Ce vale 1 cal/gº C ó 4,186 J.