Tecnologia industrial TEMA 1.1

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    11-Nov-2015

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Tema 1.1 de tecnologia industrial de primero de bachillerato a distancia.

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Tema 1

-Energa - Definicin, magnitudes y unidades

Pre-conocimiento Qu representa la energa? Qu tipos de energas conoces? En qu unidades se mide la energa cintica? Y la potencial? Qu ventajas tiene la energa nuclear respecto a otras fuentes energticas? Y qu inconvenientes? Qu camino recorre la energa desde que es generada hasta que llega a t casa?

Imagen 1. Molino de agua. (Fuente: http://es.wikipedia.org)

La manipulacin y el control de la energa por el ser humano ha marcado su capacidad de desarrollo. Primero fue el control del fuego, despus la rueda hidrulica, la aparicin de los primeros molinos de viento, ms tarde la mquina de vapor y por fin la produccin de la electricidad que permiti disponer de cualquier cantidad de energa en cualquier lugar. El desarrollo industrial est relacionado con la capacidad de produccin de energa, por lo que la irrupcin de tres pases: China, India y Brasil, muy densamente poblados y en pleno proceso de expansin industrial, est obligando a reformular el mundo del consumo de energa. El objetivo de este primer tema del bloque "Energa" es definir los conceptos bsicos que van a ser necesarios para desarrollar el resto de la unidad. En la ltima parte de la misma se lleva a cabo el estudio del proceso de produccin y distribucin de la energa elctrica.

1. Energa y trabajo: Definiciones

Imagen 2. Energa es la capacidad de producir cambio en un sistema.

A lo largo de este tema vamos a referirnos continuamente de dos conceptos bsicos: Energa y trabajo. Estas palabras son utilizadas frecuentemente en nuestra vida diaria. As a nadie le costara entender que queremos decir con expresiones del tipo "no tengo energa para nada" o "leer esta primera pgina del curso me est costando mucho trabajo". Sin embargo, y tal y como sucede en muchas ocasiones, el concepto cientfico o tcnico no coincide exactamente con la interpretacin "corriente" que se tiene del mismo. Es importante pues, dejar claro a que nos estaremos refiriendo en este tema cuando hacemos referencia a cualquiera de estos conceptos: Energa es la capacidad que tiene un sistema de producir cualquier tipo de cambio en su entorno. Ese cambio en su entorno puede manifestarse de muchas formas, desde una variacin de la temperatura del mismo a un incremento en la velocidad de alguna de las partculas que lo forman. De una forma ms rigurosa podemos definir: Importante Energa: Capacidad que tiene un sistema para producir trabajo. La energa de un sistema puede ser liberada y transformarse en otros tipos de energa.

Para poder comprender esta definicin, es necesario definir el concepto trabajo: Importante Trabajo: Es la forma de manifestarse la energa con consecuencias tiles, y se produce al aplicar una fuerza provocando un desplazamiento, en caso de no producirse desplazamiento tiene lugar una deformacin del cuerpo. Trabajo = Fuerza x desplazamiento W = F d

1.2. Unidades de medida

Fotografa 3. James Joule http://es.wikipedia.org/

Tan importante como definir una magnitud fsica o qumica, es fijar la unidad en que va ser medida. El Sistema Internacional de Unidades (SI) define el Julio como la unidad bsica de medida para la energa y el trabajo.

Julio: Unidad del Sistema Internacional de Unidades para la energa, el trabajo y el calor. Se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton al producir un desplazamiento de 1 metro. El smbolo que representa al Julio es la letra J

Aunque el Julio sea la unidad definida por el SI para la medida de la energa y el trabajo, eso no quiere decir que sea la unidad que se deba utilizar siempre. En algunas ocasiones la tradicin aconsejar utilizar otras unidades. En otras el valor de energa o trabajo que se quiere medir es tan grande o pequeo que ser conveniente utilizar una unidad de un "tamao" ms adecuado. En estos casos podemos optar por dos soluciones: Utilizar mltiplos o submltiplos propios del Sistema Internacional de unidades

Utilizar unidades externas al Sistema Internacional de Unidades Reflexin Mira en el contador de luz de tu casa el consumo de energa elctrica.En qu unidades se mide? Ya ves que la energa elctrica no se mide en Julios, sino en kilowatios-hora. Reflexin Coge ahora un paquete de cereales, una lata de refresco o cualquier otro alimento envasado, y busca cunta energa nos proporciona. Vemos que otra forma de medir la energa es en caloras (o kilocaloras) Pre-conocimiento Unidades de energa y trabajo alternativas: A continuacin listamos las unidades de energa alternativas ms habituales. Tambin se incluye su equivalencia con el Julio: Ergio: Unidad de energa del sistema c.g.s. es la energa producida cuando al aplicar una fuerza de una dina se produce un desplazamiento de un centmetro. 1 ergio = 10-7 julios Kilogrmetro o kilopondmetro: Unidad de energa del sistema tcnico, es la energa producida cuando al aplicar una fuerza de un kilopondio se produce un desplazamiento de un metro. 1 Kp m = 9,8 julios Calora: Se suele emplear siempre que se hable de energa en forma de calor, se define como el calor que hay que aportar para elevar la temperatura de un gramo de agua entre 14,5C y 15,5C. Se suele emplear tambin la kilocalora. 1 calora = 4,18 julios Frigora: Es la unidad de energa utilizada en refrigeracin y equivale a absorber una calora. Kilovatio hora: Se suele emplear siempre que consideremos la energa desde el punto de vista del consumo elctrico. 1 kwh =3,6 x 106 julios Tonelada equivalente de petrleo (tep): Se suele emplear esta unidad para comparar cualquier tipo de energa y equivale al calor que se produce cuando se quema una tonelada de petrleo. 1 tep = 41,84 x 109 julios

Tonelada equivalente de carbn (tec): Es el mismo concepto anterior pero referido a la combustin de una tonelada de carbn. 1 tec = 29,3 x 109julios Electronvoltio: Es la energa que adquiere un electrn al ser acelerado en el vaco por una diferencia de potencial de un voltio. 1 ev = 1,6 x 10-19 julios1 j

Prefijos del Sistema Internacional Obtenido de Wikipedia, la enciclopedia libre La siguiente tabla muestra los prefijos definidos por el SI para cualquier unidad. 1024yottaYSeptillnCuadrilln1 000 000 000 000 000 000 000 0001991

1021zettaZSextillnMil trillones1 000 000 000 000 000 000 0001991

1018exaEQuintillnTrilln1 000 000 000 000 000 0001975

1015petaPCuadrillnMil billones1 000 000 000 000 0001975

1012teraTTrillnBilln1 000 000 000 0001960

109gigaGBillnMil millones (o millardo)1 000 000 0001960

106megaMMilln1 000 0001960

103kilokMil1 0001795

102hectohCentena1001795

101decada / DDecena101795

100ningunoUnidad1

101decidDcimo0.11795

102centicCentsimo0.011795

103milimMilsimo0.0011795

106microMillonsimo0.000 0011960

109nanonBillonsimoMilmillonsimo0.000 000 0011960

1012picopTrillonsimoBillonsimo0.000 000 000 0011960

1015femtofCuadrillonsimoMilbillonsimo0.000 000 000 000 0011964

1018attoaQuintillonsimoTrillonsimo0.000 000 000 000 000 0011964

1021zeptozSextillonsimoMiltrillonsimo0.000 000 000 000 000 000 0011991

1024yoctoySeptillonsimoCuadrillonsimo0.000 000 000 000 000 000 000 0011991

Ejemplos: 5 cm = 5 102 m = 5 0,01 m = 0,05 m 3 MW = 3 106 W = 3 1.000.000 W = 3.000.000 W

2. Relacin Trabajo, Energa, Potencia

Imagen 4. Campo de aerogeneradores martimo.

En cualquier proceso fsico o qumico se producen transformaciones en las cuales la energa de un sistema puede transformarse en trabajo u otro tipo de energa o bien un trabajo hecho sobre el sistema puede transformarse en energa del mismo. . As en los aerogeneradores de la imagen de la derecha, la energa del viento hace girar las palas de los aerogeneradores produciendo un trabajo. Este trabajo por medio de un generador se transformar en energa elctrica. . En cualquier aplicacin prctica va a ser muy importante conocer la rapidez con que se puede transmitir un trabajo o una energa. Es decir, por mucha energa que seamos capaces de obtener de un sistema, esa transformacin no ser til si la velocidad con la que la energa es aportada al sistema no es suficiente para cubrir nuestras necesidades. Para ello se define la magnitud potencia. Importante Potencia: Trabajo que se ha realizado durante la unidad de tiempo, es decir, la energa desarrollada por unidad de tiempo.

Despejando en la ecuacin anterior, si conocemos la potencia de una mquina y el tiempo que ha estado en funcionamiento, se pude calcular la energa que ha producido y el trabajo que ha desarrollado.

Imagen 5. James Watt. Fuente: http://es.wikipedia.org/

Como ya se dijo al definir el concepto de Energa, siempre que presentemos una nueva magnitud es necesario definir la unidad del sistema internacional que se va a utilizar para su medida. En este caso la unidad de potencia es el vatio. El nombre de esta unidad es un homenaje a James Watt, matemtico e ingeniero escocs que conisgui evolucionar la mquina de vapor hasta convertirla en la base de la revolucin industrial.

Importante Vatio Unidad de medida de potencia en el sistema internacional, se representa por medio de la letra W. Un vatio se define como la potencia desarrollada por un sistema que libera una energa de un Julio en un tiempo de un segundo. Muy frecuentemente cuando estamos refirindonos a sistemas mecnicos o a motores trmicos, se emplea como unidad de potencia el caballo de vapor (cv), un cv equivale a 736W.

Reflexin Ejercicio Calcula la energa, en julios y en KWh, que ha consumido una lmpara incandescente de 80 W que ha estado conectada durante 45 minutos. Despejando en la definicin de Potencia: E = P . t Trabajando en el SI, el tiempo ha de estar en segundos: t = 45 min x (60 s/min) = 27.000 s Sustituyendo en la ecuacin: E = 80 W x 2.700 s = 21.600 J La equivalencia entre Jul