Els recursos energèticsProducció i distribució de l’energia

Energies alternatives

Energia: capacitat que tenen els cossos per realitzar un treball [ J ].

Principi de conservació de l’energia: l’energia no es pot crear ni destruir, sinó que només es pot transformar o transmetre d’uns cossos a uns altres.

Força: és la causa de que un cos variï la seva posició o la seva forma.

amF

2

F:força (N)m: massa (kg)a: acceleració (m/s2)

Pes: és la força d’atracció que exerceix la Terra sobre un cos.

Treball: Al desplaçar un cos una distància d amb una força F el treball és:

gmP 28,9

s

mg

cosdFWF

α

d

dFWSi α=0

3

P: pes (N)m: massa (kg)g: gravetat

W: treball ( J )D: distància (m)α: angle que formen la força i el desplaçament

Potència: és el treball realitzat en cada unitat de temps.

Si la força i el desplaçament tenen la mateixa direcció i sentit:

t

WP Watt (W)

vFt

dF

t

WP

P:potència Watt (W)W: treball ( J )t:temps (s)1CV=736W

P: potència (W)F:força (N)d:distància (m)t: temps (s)v:velocitat (m/s)

4

Energia mecànica [ J ]◦ Energia potencial. En funció de la posició

◦ Energia cinètica. En funció del moviment.

Energia tèrmica o interna: és l’energia que té un cos deguda a la suma de les energies que posseeixen les seves molècules.

L’augment del moviment de les molècules augmenta la seva energia interna.

mghEp

2

2

1mvEc

5

Quant l’energia tèrmica d’un cos es transfereix a un altre s’anomena calor.

La transferència pot ser:◦ Conducció: per contacte (sòlids)

◦ Convecció: propagació en els fluids

◦ Radiació: forma d’ones electromagnètiques

Energia química: La dels enllaços entre els àtoms que formen les molècules.

Energia elèctrica: deguda als electrons en moviment.

tIVtPE6

E: energia (J) (kW·h)P: potència (W) (kW)T: temps (s) (h)V: tensió (V)I: intensitat (A)

Energia nuclear: Energia que manté juntes les partícules del nucli dels àtoms en un espai molt reduït.

Energia radiant: ones electromagnètiques. Per exemple el Sol.

Energia sonora: Moviment de vibració que es desplaça a través de molècules d’un medi natural.

2cmE 28 /103 smc

7

E: energia (J)m:massa desintegrada (kg)c: velocitat de la llum

8

Energia lluminosa

Energia tèrmica

Energia química

Energia mecànicaEnergia

elèctrica

Energia sonora

Energia radiant

Energia nuclear

Sistema

η

Eu

Wu

Pu

Ep

Wp

Pp

Ec

Wc

Pc

Energia, Treball i Potència consumida

Energia, Treball i Potència útil

Energia, Treball i Potència perduda

Ec=Ep+Eu

9

El rendiment d’una màquina és la relació entre el treball o energia consumit i el treball o energia útil.

◦ η:rendiment (tant per u)◦ Wu: Treball útil ( J )◦ Wc: Treball consumit ( J )

c

u

W

WcWWu

10

cu EE

cu PP

c

u

E

E

E:Energia (J) (kw·h)

c

u

P

P

En els casos de transformacions directes:

P:Potència (W) (CV)

11

uc

EE

uc

PP

tPE cc

sWJ 111

Jh

sh

kW

WkWhkWkWh 6106,3

1

36001

1

10001111

JkWh 6106,3112

tPE uu

hKWkWh 111

Un motor subministra 3CV de potència útil i té un rendiment del 35%. Quina energia consumirà en 8 h, en Joules?

13

Un muntacàrregues triga 2 min. per aixecar una càrrega de 2000 kg. a 30 m d’altura. Calcula el treball útil que efectua i la potència útil del motor en CV

14

Al llarg del temps:◦ Energia del sol, muscular de l’home, dels animals

◦ Energia del vent →vaixells, molins

◦ Energia de l’aigua → roda hidràulica

◦ Revolució industrial S. XIX → Màquina de vapor

◦ Carbó vegetal

◦ Carbó mineral

◦ Motor d’explosió → benzina, petroli

◦ Gas natural

◦ Energia nuclear

15

En funció

de la seva

naturalesa

Primàries:

Es troben a la

natura, com la

llenya, l’aigua, el

carbó i el petroli

Secundàries:

S’obtenen a

partir de les

primàries, com

l’electricitat i la

benzina16

En funció

de les

reserves

disponibles

Renovables:

tenen

reserves

il·limitades

Provenen del

Sol, vent,

mar, aigua

dels rius,

biomassa,

dels residus

sòlids

No

renovables

Carbó,

petroli, gas

natural, urani

17

En funció

del grau

d’utilització

Convencionals

Petroli, gas

natural, carbó,

energia

hidroelèctrica,

nuclear

No

convencionals

Solar, eòlica,

biomassa, ...

18

combustió

Materials + oxigen energia calorífica

combustibles

Combustibles

fòssils

Sòlids:Carbó

Líquids:

Destil·lació del

petroli(benzina,

querosè,

gasoil,fuel)

Gasosos:Gas natural,

butà, propà

19

És l’energia que es desprèn en la combustió completa de la unitat de massa o volum d’un combustible.

tornar

20

cpmE

cpVE

E: Energia produïda en la combustió (J)

21

pc: Poder calorífic (MJ/m3, MJ/l)

pc: Poder calorífic (MJ/kg)

m: massa consumida (kg)

V: volum consumit (m3, l)

Segons unitats pc

dVm

m: massa (kg)V: volum (m3, dm3, l)d: densitat (kg/m3, kg/dm3, kg/l)

1m3 = 103 l 1dm3 = 1 l

22

Determina l’energia calorífica que s’obté en la combustió de 15 kg de llenya seca.

Taula pc

23

Determina l’energia calorífica que s’obté en la combustió de 15 litres de benzina. (dbenzina=0,7kg/l)

Taula pc

24

Determina l’energia calorífica que s’obté en la combustió de 9 litres de gas natural.

Taula pc

25

La taula mostra el pc del gasos en condicions normals: 101300 Pa (1 atm)

0ºC de temperatura

En condicions diferents de pressió i temperatura el poder calorífic es calcula:

P:pressió en Pa 1atm=101300Pa T:temperatura en ºC K=273+ºC

T

pCNpp cc

273

273

101300)(

26

Calcula el poder calorífic del propà a 6 atmde pressió i 30ºC de temperatura .

Taula pc

27

Calcula l’energia calorífica que s’obté en la combustió de 70 l de gas butà que es troba a 250000 Pa i 20ºC de temperatura.

Taula pc

28

És la quantitat de calor que ha de rebre una substància per elevar la seva temperatura en 1 K o 1ºC.

Així la quantitat de calor necessària per elevar la temperatura d’un cos des de T1 fins a T2

és:

)()( 1212 TTcmTTCQ e

Ckg

kJc OHe

º18,4)(

2

1cal=4,18 J

dH2O=1kg/l

Q: Quantitat de calor necessària en Jm:massa en kgce: calor específica del cos en kJ/kg ºC , kcal/kg ºCT:temperatura en ºC o K.

H2O

29

Calcula l’energia necessària per escalfar 50l d’aigua de 20 ºC a 80ºC.

H2O

Ckg

kJc OHe

º18,4)(

2

dH2O=1kg/l

30

Pèrdues d’energia

Combustió

Energia

consumida

Energia útil

Energia

necessària per

escalfar un cos

η

31

Energia necessària per elevar la temperatura

d’un cos

Eu

Rendimentη

Combustió d’un material

Ec

Q=m·ce·(T2-T1)

m=V·d

Eu=η·Ec

Ec=m·pc

Ec=V·pc

η

EE u

cc

c

p

Em

c

c

p

EV

)( 12 TTc

Qm

e

32Segons unitats pc

Segons unitats pc

Per escalfar 5l d’aigua de 20ºC a 100ºC s’utilitza gas butà. Calcula el volum de gas butà que serà necessari si el sistema té un rendiment del 80%. (pc=120MJ/m3)

33

Si tenim una caldera de rendiment 40%, quina quantitat d’energia podem aprofitar si cremem 60 kg de butà? (pc=49MJ/kg)

34

Potènciadesenvolupada per un vehicles

Pu

Rendimentη

Combustió d’un material

Ec

Eu=Pu·t

Eu=η·Ec

Ec=m·pc

m=V·d

Ec=V·pct

EP uu

η

EE u

c c

c

p

Em

d

mV

v

et

t

ev ;

35

c

c

p

EV

Segons unitats pc

Segons unitats pc

Calcula el consum de benzina cada 100 km d’un automòbil que desenvolupa 70 CV amb vmitjana=120 Km/h i un rendiment del motor del 36%.(dbenzina=0,78 kg/l)(pc=49MJ/kg)

36

Calcula la potència que desenvolupa un automòbil que consumeix 7l de gasolina cada 100 km a una velocitat de 110 km/h. El rendiment és del 30%. (dbenzina=0,78 kg/l)

37

La llenya i el carbó vegetal

Carbó mineral

El petroli

El gas natural

Combustibles gasosos

38

La llenyà:◦ Bàsic per a la meitat

de la humanitat

◦ L’utilitzen per escalfar-se, il·luminar-se i cuinar

El carbó vegetal:◦ S’obté a partir de la

piròlisi (combustió parcial) de la llenya (amb poc oxigen).

◦ Pesa 5 o 6 vegades menys que la llenya.

39

Origen: descomposició orgànica d’extensos boscos que cobrien la Terra, submergits sota sorra i roques durant milions d’anys.

40

Tipus Origen %C Podercalorífic

Utilització Extracció

Torba Recent <60% Pobre Consum domèstic

A cel obert. Lignit Recent (cents de milions d’anys)

55-70% Baix A prop de l’extracció

Hulla Antic 75-94% Alt Carbó de coc.Alt forn Subterrània

amb pous verticalsAntracita El més

antic93-97% Molt alt Combustible

siderúrgia

41

A cel obert◦ Ràpid

◦ Econòmic

Subterrània:◦ Car

◦ Perillós (silicosi,grisú)

42

Aplicacions

Combustible

d’ús general

Directament a les centrals tèrmiques

Per la

destil·lació

seca

(piròlisi)

s’obté

Carbó de coc, siderúrgia

Gas ciutat, utilització domèstica

Productes químics,plàstics i

fertilitzants

Gasificació:

gas de

síntesi

Combustible

Gas natural sintètic

Hidrocarburs

43

La seva importància radica en la quantitat de productes derivats que proporcionen, bàsics pel desenvolupament industrial d’un país.

Petroli brut:

Barreja

d’hidrocarburs

sense aplicació

directa

Destil·lació

a les

refineries

Productes

útils

44

Origen: descomposició de plàncton marí sobre roques sedimentàries formant bosses de petroli (líquid)

45

Torre de perforació

L’extracció pot ser:◦ Natural

◦ Forçada

Plataformes marines

46

•Segons el punt d’ebullició s’obté : butà,

propà, benzina, gasoil, olis, fuel ...

Destil·lació

fraccionada

•Descomposició dels hidrocarburs més pesants

(olis, fuel) en més lleugers (benzines)Cracking

•Unió d’hidrocarburs lleugers (butà, propà) per

formar més pesants (benzines, gasoils)Polimerització

•Millora les característiques de les benzinesReforming

47

Directa: gas butà, propà,

benzina, querosè, gasoil,

fuel, asfalt.

Com a matèries primeres de

la indústria petroquímica:

plàstics, fibres sintètiques,

detergents, pintures...

48

És bàsicament gas metà (CH4),

formant bosses, sol o associat amb el petroli.

Transport:

Gasoductes: grans

canonades

Vaixells metaners: gas

natural liquat

49

Indústria, comerç, habitatge

Centrals tèrmiques mixtes (combinen amb fuel i carbó)

Instal·lacions de cogeneració (electricitat i calor)

Indústria petroquímica com a matèria primera

50

Primera família: gas ciutat o manufacturat

Pc de 17 a 23 MJ/m3

Segona família: gas natural i aire propanat

Pc de 42 a 55 MJ/m3

Tercera família: gas butà i propà

Pc de 94 a 120 MJ/m3

51

Estructura de l’àtom

++

-

-

-

Nucli: protons + neutronsMassa: 1,6725 10-27 kg 1,6725 10-27 kg Càrrega: +1,602 10-19 C 0 C

Z: Nombre atòmic N

Escorça: electronsMassa: 9,1091 10-31 kg Càrrega: -1,602 10-19 C

+

-

A(nombre màssic) = Z (nombre atòmic) +N (nombre de neutrons)

52

El nombre atòmic (Z, nombre de protons) determina un element.

Un element es pot presentar amb diferents nombres màssics. Pot tenir diferent nombre de neutrons en el nucli.

Isòtops: Àtoms del mateix element amb diferent nombre màssic.

Per indicar l’estructura d’un element X ho fem així:

XA

ZA=Z+N

A(nombre màssic) = Z (nombre atòmic) +N (nombre de neutrons)

53

Isòtops de l’hidrogen:

Isòtops d l’urani:

H1

1H3

1H2

1

U230

92U235

92U233

92

Deuteri Triti

54

H2

1

U230

92

Calcula el nombre del neutrons dels diferents elements:

55

És l’energia continguda en el nucli dels àtoms.

Quan neutrons i protons formen el nucli la massa total és inferior a la que tenen per separat.

Aquesta massa es transforma en energia d’enllaç.

2cmEE: Energia (J)M: massa (kg)C: vel. Llum 3·108 m/s

56

Transformació nuclear en la que el nucli emet radiacions a gran velocitat (≃c).

Alfa(α)Partícules

positives,

nuclis d’heli

Poc

penetrants

Beta (β)

Partícules

negatives,

electrons

Més

penetrants

Gamma(γ)Fotons, llum

no visible

Molt

penetrants

++

-

Paper, cm aire

Alumini, m aire

Plom, formigó 57

Tipus

NaturalDe forma

espontània

Artificial

Isòtops

radioactius

artificials

S’obtenen amb el

bombardeig del

nucli amb α,β,γ i

neutrons

Al emetre radiacions l’element radioactiu es va desintegrant

58

Qualsevol procés de transformació que implica el nucli de l’àtom s’anomena reacció o transmutació nuclear.

Amb la radioactivitat es poden aconseguir petites quantitats d’energia.

Hi ha dos tipus de reaccions nuclears en què es poden aconseguir grans quantitats d’energia:

Reaccions

nuclears

FUSIÓ

FISSIÓ

59

Unió de nuclis lleugers per formar més pesants

Aquestes reaccions desprenen molta energia

Es produeixen al sol i les estrelles

La dificultat radica en la alta Tª per començar la fusió. La matèria a aquesta Tªés un plasma difícil de confinar.

60

Ruptura del nucli per impacte d’un neutró

Reacció en cadena L’energia alliberada

és molt gran:◦ Explosió nuclear (de

manera sobtada)◦ Reactor nuclear

(controlat)

Combustible: urani natural i urani enriquit.

61

62

En la fissió d’un kg d’urani desapareixen 0,67g de matèria. Calcula l’energia que es desprèn.

Calcula quanta quantitat de carbó s’ha de cremar per aconseguir aquesta mateixa quantitat d’energia . (PC= 29 MJ/kg)

63

El consum d’energia és un indicador del desenvolupament d’un país: ◦ EEUU i Canadà 8 TEP

◦ Japó 4 TEP

◦ Unió Europea 3,8 TEP

◦ Tercer Món 0,5 TEP

Reserves: ◦ Petroli: 40 anys

◦ Gas natural: 70 anys

◦ Carbó: 200 anys

◦ Urani: 100 anys

TEP: Tones equivalents de petroli

Per habitant i any. Dades 2004

64

L’extracció, els processos d’obtenció i la utilització dels combustibles fòssils i dels materials radioactius produeixen impactes en el medi natural.

Els més importants:◦ L’electe hivernacle

◦ La pluja àcida

◦ Les boires fotoquímiques

◦ La contaminació radioactiva

65

Elevació de la temperatura de la atmosfera degut a gasos hivernacle(CO2, H2O, CFC, òxid nitrós, metà i ozó):◦ Deixant passar la

radiació solar

◦ No deixen sortir la radiació cap a l’espai

66

Provoca canvis en:◦ La producció agrícola◦ L’elevació del nivell del

mar

Hi ha compromisos a nivell mundial per a reduir les emissions de CO2, com:◦ Reduir el consum◦ Millorar el rendiment◦ Plantar més arbres ... ◦ (Protocol de Kioto)

La 15ena Cimera de les Nacions Unides sobre el Canvi Climàtic va que es va celebrar a Copenhaguen (Desembre 2009) , va ser un fracàs, però es van acordar reduccions per més de 400 organitzacions d’arreu del món i un pla d’ajuda als països més desafavorits.

67

Òxids de

sofre ( SOx)

Òxids de

nitrogen

(NOx)

Vapor

d’aigua,

llum i

oxigen

Pluja

àcida

•Es produeixen al cremar combustibles fòssils•Causa la lixiviació o separació de nutrients bàsics del sòl i priva a la vegetació d’aquests nutrients vitals.•Activa els metalls pesants , els quals contaminen les aigües.•Erosiona les pedres i això afecta a edificis i monuments.

Seca(partícules) Humida

(pluja i neu)

68

69

Cúpula d’aire calent sobre les ciutats amb partícules de fum produïdes per:◦ Cotxes◦ Centrals tèrmiques◦ Indústries

Provoca problemes de salut humana (conjuntivitis, sinusitis, asma, mal de coll i problemes a la vegetació i a les collites

70

Produïda per:◦ Emissions radioactives

(accidents)◦ Gestió dels residus

radioactius Gasosos Líquids Sòlids de mitjana i baixa

activitat Sòlids d’alta activitat

Causa la destrucció de molècules, amb el consegüent perill per l’home (càncer), l’agricultura ...

Ex. 1986 Txernòbill

71

Els recursos energèticsProducció i distribució de l’energia

Energies alternatives

Imatges i gràfiques del llibre:Tecnologia Industrial 1Mc. Graw Hill