TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA (Oposiciones de Enseñanza...

www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química© Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 14

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TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA(Oposiciones de Enseñanza Secundaria)

-------------------------------------------------------------------------------TEMA 14

LA ENERGÍA Y SU TRANSFERENCIA. RELACIÓN TRABAJO-ENERGÍA.PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. EVOLUCIÓN EN LAS NE-CESIDADES ENERGÉTICAS DE LA SOCIEDAD. REPERCUSIONES MEDIO-AMBIENTALES. ENERGÍAS ALTERNATIVAS.

Esquema

1. Trabajo y Energía.1.1. Introducción histórica a la energía.1.2. Concepto de Trabajo de una fuerza.

1.2.1. Definición. Trabajo como definición de Fr

.1.3. Potencia. Definición y unidades.1.4. Energía.1.5. Energía Cinética.

1.5.1. Teorema de las fuerzas vivas.2. Campo de Fuerzas. Fuerzas conservativas.

2.1. Concepto de Campo de Fuerzas.2.2. Concepto de Intensidad de Campo.2.3. Campo de Fuerzas Conservativas.

2.3.1. Concepto de Energía Potencial.2.3.2. La energía potencial como energía de configuración.

3. Principio de Conservación de la Energía.3.1. El trabajo como transformación de la energía.3.2. Transferencias de energía.3.3. Conservación de la energía mecánica. Fuerzas conservativas.3.4. Curvas de Energía Potencial.3.5. Fuerzas no-conservativas. Energía Interna.3.6. Conservación de la Masa-Energía.

4. La energía a lo largo de la historia.4.1. La energía en la antigüedad.4.2. La máquina de vapor.4.3. La electricidad.4.4. La energía nuclear.4.5. Evolución de los combustibles.

5. La Energía en la sociedad actual.5.1. Formas de energía5.2. Fuentes de energía.5.3. Energía eléctrica. Su desarrollo.

6. Repercusiones medioambientales.6.1. Carbón6.2. Petróleo.6.3. Uranio.6.4. Contaminación por centrales eléctricas (convencionales y nucleares).

7. Energías Alternativas de recursos renovables.


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TEMA 14

LA ENERGÍA Y SU TRANSFERENCIA. RELACIÓN TRABAJO-ENERGÍA.PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. EVOLUCIÓN EN LAS NE-CESIDADES ENERGÉTICAS DE LA SOCIEDAD. REPERCUSIONES MEDIO-AMBIENTALES. ENERGÍAS ALTERNATIVAS.

1. TRABAJO Y ENERGÍA

1.1. Introducción histórica a la energía.

El desarrollo histórico de la energía fue lento y tortuoso. Debió de transcurrir másde siglo y medio desde que se vislumbró la idea de energía hasta que se estableció en elmodo en que lo entendemos actualmente. Las raíces de este concepto hay que buscarlasen el siglo XVII y fue Christian Huygens (1629-1695) quien lo intuyó por primera vezcuando trataba de establecer las reglas por las que se regía el choque elástico entre doscuerpos rígidos.

Isaac Newton basó sus estudios en los trabajos de Huygens acerca del momentolineal (cantidad de movimiento) de los cuerpos colisionantes en un choque elástico, paraestablecer la tercera ley del movimiento. Se sabía que, independientemente del tipo decolisión, el momento lineal se mantenía constante, es decir, sería el mismo antes y des-pués del choque.

Aquí Huygens propuso la siguiente regla para las colisiones elásticas: la suma,extendida a todos los cuerpos colisionantes, del producto de la masa de cada uno deellos por el cuadrado de su velocidad permanece constante. A la magnitud mv2 se le dioel nombre de "vis viva” y es lo que actualmente se conoce como energía cinética.

1.2. Concepto de Trabajo de una Fuerza.

1.2.1. Definición. Trabajo como circulación de Fr

Las fuerzas que actúan sobre las partículas y que le producen movimientos, pue-den ser de diversa naturaleza y además pueden ser variables con el tiempo y con la posi-ción de cada partícula. En el caso de fuerzas variables con el tiempo, es decir, F=f(t),resulta útil el concepto de Impulso Lineal, ya que así es posible determinar la velocidadde la partícula en cualquier instante. Pero en el caso de fuerzas variables con la posiciónde la partícula, la función es del tipo )(rfF

rr= , y para poder determinar el movimiento

de la partícula es necesario definir el concepto de trabajo.

Para ello, consideremos una partícula de masa m, quese mueve por la acción de una fuerza F

r, describiendo una

trayectoria A-B. Para un desplazamiento infinitesimal rdr

alo largo de su trayectoria, en un intervalo de tiempo dt muypequeño, se define el trabajo elemental como el productoescalar de la fuerza aplicada F

r, por el camino recorrido

rdr

, es decir: rdFdWrr

•=


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y desarrollando el producto escalar:ϑcos..dsFdW =

siendo ϑ el ángulo que forma la fuerza Fr

con el desplazamiento rdr

que coincide conel elemento de trayectoria recorrido ds.

Para un desplazamiento finito, de A a B en elque la fuerza es variable, se descompone la trayecto-ria en elementos infinitesimales ...,, ,321 rdrdrd

rrr en los

que supondremos constantes las fuerzas actuantes,...,, 321 rdrdrd

rrr El trabajo total será:

∑ ∑ ∆•=∆= iii rFWWrr

y pasando a desplazamientos infinitesimales, resulta

∫ •=B

ArdFWrr

para realizar la integración se ha de conocer la variación de la fuerza con la posición, osea: )(rfF

rr= y la ecuación de la trayectoria del móvil desde A hasta B.

Como se trata de magnitudes vectoriales la ecuación del trabajo puede escribirseen función de sus componentes escalares:

kFjFiFF zyx

rrrr++= y siendo kdzjdyidxrd

rrrr... ++=

resulta: ( )∫ ++=B

A zyx dzFdyFdxFW

y considerando el desarrollo del producto escalar, el trabajo puede expresarse así:

∫=B

AdsFW ϑcos..

donde observamos que el trabajo realizado será máximo cuando ϑ=0º , es decir, cuandola línea de acción de la fuerza coincide con el vector desplazamiento. Y será nulo siϑ=90º (π/2 radianes), o sea cuando la fuerza y el desplazamiento son perpendicularescomo es el caso de una partícula que gira con movimiento circular uniforme sometido auna fuerza centrípeta.

Si consideramos las componentes intrínsecas de la fuerza:

ntNT uRv

mudtdv

mFFFrrrrr 2

+=+=

el trabajo se expresará pues así:

( )∫ ∫ ∫ ∫ •=•+•=•+=B

A

B

A

B

A

B

A TNTNT rdFrdFrdFrdFFWrrrrrrrrr

con lo cual vemos que el trabajo de una fuerza se debe únicamente a la componentetangencial de dicha fuerza pues el trabajo debido a la componente normal NF

r es nulo

porque su línea de acción coincide con rdr

y entonces ϑ=0º.

Si la fuerza aplicada es constante, tanto en módulo como en dirección y sentido, latrayectoria descrita por la partícula para ir desde A hasta B es rectilínea y el trabajo rea-lizado vendrá dado por:

∫ ∫ =•=•=•=B

A

B

ATT SFsFrdFrdFW ϑcos..rrrrrr


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que es la definición sencilla de trabajo físico introducida en la física elemental, comoproducto de la fuerza por el espacio recorrido en el caso de que la fuerza tenga la mismadirección que el desplazamiento.

La unidad de Trabajo en el S.I. es el Julio (=N.m=Kg.m2/s2) que se define comoel trabajo efectuado por una fuerza de 1 Newton actuando sobre una partícula que semueve 1 metro en la dirección de la fuerza. La ecuación dimensional del trabajo es:

[ ] 22 −= TMLWEn el sistema cegesimal (C.G.S.), ya en desuso, la unidad de trabajo es el Ergio:

1 Ergio = 1 dina.cm 1 Julio = 107 ergios

1.3. Potencia. Definición y Unidades.

La eficacia de la fuerza en la producción del trabajo dependerá del tiempo em-pleado en realizarlo, así tendremos que, de dos fuerzas que realizan el mismo trabajo,será más eficaz aquella que lo realice en menos tiempo. Al considerar el tiempo en laproducción de trabajo, ha de introducirse una nueva magnitud llamada Potencia, que sedefine como el trabajo realizado en la unidad de tiempo:

dtdW

P = (potencia instantánea)

considerando que el trabajo elemental dW es: dW= rdFrr

• resultará:

ϑcos..vFvFdtrd

Fdt

rdFdt

dWP =•=•=•== rrrrrr

y vemos que la potencia también puede expresarse como el producto escalar del vectorfuerza por el vector velocidad.

El concepto de potencia es muy importante en las aplicaciones prácticas, sobre to-do en mecánica aplicada y en ingeniería, ya que lo que importa es la rapidez con que seefectúa un trabajo, más que la cantidad de este trabajo.

La unidad de Potencia en el S.I. es el Watío, que se define como la potencia deuna máquina que efectúa el trabajo de 1 julio durante 1 segundo:

1 Watio = 1 Julio/1 s = 1 Julio/s = 1 Kg.m2/s3.y la ecuación dimensional es: [P] = ML2T-3

Son también frecuentemente empleados los múltiplos del watio:1 Kilowatio (KW) = 1000 W = 103 W1 Megawatio (MW) = 1000000 W = 106 W

El Kilowatio-Hora (KWH), popularizado por las compañías eléctricas es una uni-dad de trabajo y expresa el trabajo efectuado durante una hora por una máquina cuyapotencia es de 1000 watios y equivale a:

1 KWH = 1000 watios.3600 s = 3’6.106 Julios

1.4. Energía.

Cuando un cuerpo recibe la acción de una fuerza y se produce trabajo sobre él,experimenta una variación en su estado que le capacita para producir trabajo equivalenteal que se ha realizado sobre él; así al volver a su estado inicial puede producir trabajo


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sobre otros cuerpos. Tal es el caso de un cuerpo que se eleva, por la acción de una fue r-za, contra la gravedad, hasta una cierta altura y al caer puede realizar trabajo sobre otroscuerpos ligados a él, por ejemplo, mediante una polea o un plano inclinado. Igualmenteel cuerpo elevado puede producir trabajo en choques con otro cuerpo moviéndolo o de-formándolo.

Al realizar trabajo sobre un cuerpo, éste ha adquirido la capacidad de efectuar, asu vez, trabajo sobre otros cuerpos, capacidad que dependerá de su posición, de su mo-vimiento o de su propia constitución. Esta capacidad recibe genéricamente el nombre deEnergía.

La energía que posee un cuerpo en razón de encontrarse en movimiento, recibe elnombre de Energía Cinética. Así, un automóvil, un proyectil, el agua que cae por unacascada, el aire en movimiento, etc. poseen energía en el sentido de que tienen la posi-bilidad de realizar trabajo durante el proceso que los lleve al reposo.

La energía que posee un cuerpo merced a la posición que ocupa o a la posición ala que ha sido llevado por la acción de la fuerza externa se denomina Energía Potencial,y esta energía implica la existencia de un campo de fuerzas (como veremos más ade-lante). Ejemplo de este tipo de energía: un volumen de agua situado en la parte alta deun pantano tiene, como consecuencia de su posición, la posibilidad de producir trabajo,moviendo la rueda de una turbina situada en la parte baja de la presa.

Y por último, la energía que posee un cuerpo en razón de su propia constituciónmolecular se denomina Energía Interna, como es el caso de un explosivo que estalla, unfluido que se enfría, un gas que se expansiona, etc.

En cualquier caso, siempre podemos pensar en la energía como resultado de larealización de un trabajo; así, podemos definir la energía a través del trabajo que se harealizado previamente sobre el cuerpo o el sistema material. Por lo tanto las unidades enque viene expresada la energía son las mismas que las del trabajo, el Julio, en el SistemaInternacional.

1.5. Energía Cinética.

La energía cinética es la energía que contiene un cuerpo por la velocidad que po-see y puede determinarse midiendo el trabajo realizado por una fuerza aplicada paradetener el cuerpo hasta la situación de v=0. Recíprocamente, si un cuerpo es sometido auna fuerza variable y describe una trayectoria desde un punto inicial a otro final, desdeuna situación de reposo hasta adquirir una velocidad v. el trabajo realizado sobre elcuerpo vendrá dado por la integral:

∫ •=b

ardFWrr

que considerando las componentes intrínsecas de la fuerza, resultará:

∫ ∫=•=b

a

b

a TT dsFrdFW .rr

ya que ϑcos..dsFrdF =• rr y =ϑ 0º, por lo que cos0º=1. No hemos tenido en cuenta

el trabajo debido a la componente normal de la fuerza, porque al ser ésta perpendicular ardr

, se anula pues entonces es =ϑ 90° y cos90°=0.


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Por la segunda ley de Newton sabemos que FT=m. dv/dt y sustituyendo en la ex-presión del trabajo, tendremos:

ECmvv

mdvvmdvdtds

mdsdtdv

mdsFWv

o

vb

a

b

a

b

aT ==

===== ∫∫∫ ∫ 2

2

0 21

2..

Así hemos obtenido la expresión de la Energía Cinética de un cuerpo de masa mque, estando inicialmente en reposo, adquiere una velocidad v por aplicación de unafuerza.

1.5.1. Teorema de las Fuerzas Vivas.

Si sobre un cuerpo inicialmente con velocidad v1 constante, actúa una fuerza, leproduce una aceleración que incrementa su velocidad, según establece la Segunda leyde Newton y en el desplazamiento, le produce un trabajo que se acumula como incre-mento de la energía cinética del cuerpo; al cesar la fuerza, el cuerpo vuelve a movi-miento uniforme de velocidad v2 constante, cumpliéndose:

ECECECmvmvv

mdvvmWv

v

v

v∆=−=−=

== ∫ 12

21

22

2

21

21

2.

2

1

2

1

es decir, "el trabajo efectuado sobre una partícula, es igual a la variación que experi-menta su energía cinética". Este enunciado constituye lo que antiguamente se denomi-naba como Teorema de las Fuerzas Vivas y matemáticamente se expresa:

W=∆ECEste teorema también se conoce como Teorema del Trabajo y Teorema de la

Energía Cinética, y tiene validez general cualquiera que sea la naturaleza de la fuerza ofuerzas que actúen sobre la partícula. La Energía Cinética es una magnitud física escalaresencialmente positiva que se mide en las mismas unidades que el trabajo, esto es, enJulios (en el S.I.).

2. CAMPO DE FUERZAS. FUERZAS CONSERVATIVAS

2.1. Concepto de Campo de Fuerzas.

La Energía potencial (gravitatoria) es la energía que posee un cuerpo por la posi-ción que ocupa en el espacio en las proximidades de la Tierra y que al dejarlo libre, de-sarrolla dicha energía como energía cinética cayendo hacia la Tierra.

Para definir así esta energía, hemos de admitir que existen unas fuerzas gravitato-rias producidas por la Tierra que obligan a caer al cuerpo y que son las responsables deque un cuerpo que ha sido elevado por una fuerza que realiza trabajo sobre él, adquierapor tanto, una Energía Potencial, es decir una energía susceptible de transformarse enotra (cinética) cuando cese la fuerza que le produce el trabajo. Hemos de pensar queexiste un campo de fuerzas alrededor de la Tierra, que es donde se cumplen las circuns-tancias descritas. De no existir un campo de fuerzas, no puede definirse este concepto.

Se dice que en una región del espacio existe un campo de fuerzas cuando al situarun cuerpo en cualquiera de sus puntos, instantáneamente se encuentra sometido a unafuerza. Ejemplos de Campos de Fuerzas los tenemos en el Campo Gravitatorio terrestre,en el cual, al colocar un cuerpo en cualquier lugar de él, aparece instantáneamente la


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fuerza peso que tiende a llevarlo hacia el suelo en dirección vertical. También el CampoEléctrico, en el que basta colocar en cualquiera de sus puntos una carga eléctrica, paraque se vea inmediatamente sometida a una fuerza que le obliga a moverse hacia la cargade signo opuesto.

Para interpretar la existencia de las fuerzas de los campos de fuerzas sin contactofísico y justificar que actúen instantáneamente sobre el cuerpo, no puede admitirse elviejo concepto de fuerzas de acción a distancia que implicaría una propagación a velo-cidad infinita. El máximo de velocidad alcanzable por una partícula o una onda es lavelocidad de la luz (c= 3.108 m/s) y aunque es muy grande es finita, por tanto si la "Ac-ción a Distancia" se propagase a esta velocidad, un cuerpo situado lejos de la Tierrarecibiría la acción gravitatoria después de un cierto tiempo necesario para propagarse yno caería instantáneamente, lo que contradice la realidad observada, ya que la accióngravitatoria es instantánea, igual que ocurre con otras acciones como las existentes entrecargas eléctricas, polos magnéticos, etc.

Para resolver el problema, se desechó el concepto de fuerza de acción a distanciay se consideró la existencia de una "perturbación" permanente en el espacio alrededordel cuerpo, creada por una propiedad intrínseca del cuerpo (magnitud activa), perturba-ción que se denomina "Campo de Fuerzas" Así, la Tierra, crea a su alrededor un Campode Fuerzas que interactúa con los cuerpos situados en sus proximidades.

Un campo de fuerzas se representa por las llamadas Líneas de Fuerza, que son lí-neas virtuales trazadas en su interior y que dan una imagen gráfica de la forma del cam-po. Pueden definirse como aquellas líneas que en todos sus puntos son tangentes alvector que representa la magnitud vectorial del campo.

2.2. Concepto de Intensidad de Campo.

La fuerza a que se encuentra sometido un cuerpo dentro del campo de fuerzas,suele ser distinta para el mismo cuerpo en diferentes puntos del campo, pero resultaproporcional, en un punto dado, a un coeficiente A característico del cuerpo y que lla-maremos Magnitud Activa.

En el campo gravitatorio la magnitud activa es la masa, y en el campo eléctrico,será la carga. Podemos escribir entonces: F = E. Asiendo F la fuerza del campo, A la magnitud activa y E es una magnitud independientede A que llamaremos Intensidad del Campo.La expresión anterior es vectorial y la de-bemos escribir: EAF

rr.=

En el Campo gravitatorio el vector AFErr

= , en cada punto del campo, representala fuerza gravitatoria que aparece en dicho punto, por unidad de masa colocada en elpunto. Tiene la misma dirección y sentido que F

r y constituye un campo vectorial inde-

pendiente de la masa.

En el Campo Eléctrico el vector Er

representa la fuerza eléctrica ejercida por elcampo sobre la unidad de carga; tiene la misma dirección que la fuerza y tienen el mis-mo sentido o sentido contrario según que la carga sea positiva o negativa.


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En todos los casos, el vector Intensidad del Campo depende exclusivamente de lascoordenadas del punto, es decir, de la posición: ),,( zyxfE

rr=

Como resulta evidente, la perturbación del espacio que supone la creación de uncampo lleva consigo la realización de un trabajo previo, el cual se acumula en el espacioperturbado en forma de energía originando posteriormente el movimiento de los cuerpossituados en el interior del campo.

2.3. Campo de Fuerzas Conservativas.

Consideremos un campo de fuerzas definido por el vector

AF

E

rr

=

En dicho campo el trabajo realizado por la fuerza Fr

cuando actúa sobre el cuerpoy lo traslada desde una posición A a otra B a lo largo de una trayectoria arbitraria es:

∫ •=B

ArdFWrr

En general, este trabajo depende de la trayectoria seguida por el cuerpo para des-plazarse desde el punto inicial A hasta el final B.

En algunos casos muy importantes, el campo defuerzas es de tal naturaleza que el valor de la integralanterior es independiente de la trayectoria que siga elcuerpo y sólo depende de las posiciones inicial y final.Dichos campos se llaman Campos Conservativos, puesen ellos la energía puesta en juego en desplazamientosentre los mismos puntos inicial y final, es la misma y eltrabajo realizado en una trayectoria cerrada (donde elpunto inicial y el final coinciden) es nulo, o sea:

∫ =•= 0rdFWrr

Condición de Campo Conservativo

Una partícula que se mueva en una trayectoria cerrada en el interior de un campoconservativo no pierde ni gana energía, por ejemplo, el movimiento de los planetas esuna prueba de ello, pues describen órbitas estables en un campo gravitatorio (conserva-tivo) sin que el sistema incremente su energía.

2.3.1. Concepto de Energía Potencial.

Si la partícula se mueve de A a B por la trayectoria I y luego se desplaza de B a Apor la trayectoria II, se cumplirá, en un campo conservativo:

∫ ∫ ∫ =•+•=•=B

IA

A

IIBrdFrdFrdFW

)( )(0

rrrvrr

luego: ∫ ∫∫ •=•−=•B

IA

B

IIA

A

IIBrdFrdFrdF

)( )()(

rrrrrr

lo que indica que el trabajo no depende de la trayectoria y sí de la posición inicial y dela final, por ello asignaremos a estos puntos una cantidad de energía, función de la posi-ción, tal que su diferencia sea el trabajo que realiza el campo al desplazarse la partículadesde A hasta B, es decir:


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∫ −=•=B

A BA EPEPrdFWrr

Esta energía, función de la posición, se llama Energía Potencial y la ecuaciónanterior nos da la variación de la Energía Potencial mediante el trabajo efectuado de A aB. Para determinar la Energía Potencial absoluta de un cuerpo de magnitud activa A,situado en un punto definido sor el vector de posición ),,( zyxfr

rr = despejaremos de laexpresión anterior por ejemplo, el término de B:

∫ •−=B

AAB rdFEPrEPrrr

)(

o sea, la Energía Potencial en B es igual a la Energía Potencial del cuerpo cuando estáen A, punto que tomaremos como referencia, menos el trabajo realizado al pasar elcuerpo desde el punto de referencia A al nuevo punto B( r

r), por ello si el punto elegido

como referencia (que es arbitrario y variará según los casos) le asignamos Energía Po-tencial cero, la Energía Potencial del cuerpo en cualquier otro punto dado por r

r será:

∫ =•−=

r

EPArdFrEP

)0()(

rrr

Si lo aplicamos, como ejemplo, al campo gravitatorio de la Tierra, donde se tomaEP=0 en los puntos de la superficie del planeta, el cuerpo de masa m situado a una altu-ra h, tendrá la siguiente energía potencial:

[ ] hgmrgmrdgmrdFhEPhh h rrrrrrrr

•−=•−=•−=•−= ∫ ∫ 00 0)(

cuando el cuerpo se eleva ha de hacerse por una fuerza externa y por ello se realiza untrabajo sobre él, ganando energía potencial y g

r y h

r tienen sentidos opuestos por lo que

resulta: hghg .−=•rr

luego: hgmEP ..=

2.3.2. La energía Potencial como energía de configuración

La energía potencial de una partícula en un campo de fuerzas conservativo, la he-mos definido como el trabajo realizado para trasladar la partícula desde una posicióninicial hasta una posición final. Así parece que la energía potencial está "almacenada"en la partícula, es decir, como si dicha energía estuviera exclusivamente ligada al cue r-po a través de la posición ocupada en el campo.

Rigurosamente hablando, la energía potencial deberá depender tanto de las coor-denadas de la partícula considerada como de las de todas las demás partículas que cons-tituyen su "medio ambiente”. Esto es, la energía potencial no debe asignarse a ningúncuerpo concreto, sino que debe considerarse como algo perteneciente a todo el sistemaen su conjunto, es decir, a todas las partículas interactuantes. Así podemos decir que laenergía potencial está relacionada con la configuración del sistema y no con la partículaen concreto.

Si consideramos una piedra que se encuentra a una cierta altura sobre la Tierra,decimos que esa piedra posee una determinada energía potencial por la posición queocupa. Si reflexionamos un poco veremos que realmente debemos considerar la energíapotencial del sistema piedra-tierra, ya que la piedra cae hacia la tierra, pero también latierra cae hacia la piedra y lo hace con una aceleración tan enormemente pequeña, encomparación con la aceleración de la piedra, que la podemos despreciar. En este caso


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asignamos la energía potencial a la piedra porque es ella la que adquiere prácticamentetoda la energía cinética a expensas de le energía potencial del sistema.

Si consideramos dos cuerpos de masas comparables no podemos asignar la ene r-gía potencial a ninguna de las masas en concreto, sino que debemos considerarla comouna propiedad del sistema en conjunto. Puede considerarse como la energía de la confi-guración de un sistema de partículas.

3. PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA ENERGIA

3.1. El trabajo como transformación de la energía.

Siempre podemos considerar la energía como el resultado de la realización de untrabajo; pero también podemos adoptar el punto de vista inverso y considerar que seproduce trabajo cuando tiene lugar una transformación de una forma de energía a otra.

Así, cuando cae un objeto en el campo gravitatorio terrestre, su energía potencial(o mejor, la energía potencial del sistema) disminuye, a la vez que se produce un au-mento de su energía cinética. Es decir, se produce una transformación de energía de laforma potencial a la forma de energía cinética, y es durante esa transformación cuandola fuerza (que en este caso es el peso del cuerpo) produce un trabajo.

Sabemos que el trabajo debido a fuerzas conservativas produce una transforma-ción de una forma de energía a otra, de manera que la energía total del sistema no varíe.El trabajo no es, en sí mismo energía, sino el mecanismo de transformación de unaenergía a otra (algo similar ocurre con el calor cuando decimos que es una energía entránsito).

En caso de que existan fuerzas no conservativas, la transformación de una energíaen otra no es total, sino que una parte de la energía se pierde. Por ejemplo, en el caso dela fuerza de rozamiento hay una cierta cantidad de energía que se disipa, entonces eltrabajo realizado por la fuerza de rozamiento representa una transferencia de energía deuna forma, como la energía potencial, a otra forma, que en este caso se disipa y se mani-fiesta en forma de energía térmica.

3.3. Conservación de la energía mecánica. Fuerzas conservativas

Consideremos una partícula de masa m que se mueve a lo largo de una trayectoriadesde A hasta B, bajo la acción de una fuerza F, entonces la variación de su energíacinética vendrá dada por el trabajo realizado por dicha fuerza en ese desplazamiento:

∫ •=−=∆B

ArdFAECBECECrr

)()(

Como la fuerza es conservativa, podemos definir la energía potencial como el tra-bajo realizado por la fuerza, cambiado de signo:

∫ •−=−=∆B

ArdFAEPBEPEPrr

)()(

e igualando ambas expresiones resulta: EPEC ∆−=∆ à 0=∆+∆ EPECque es lo mismo que decir que la suma de las variaciones de energía cinética y de ener-


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gía potencial, es nula, o lo que es lo mismo:( ) 0=+∆ EPEC à cteEEPEC M ==+

la suma de la energía cinética más la energía potencial constituye la energía mecánica yésta resulta constante. Así podemos enunciar el principio de Conservación de la Ene r-gía: "Cuando las fuerzas que actúan sobre una partícula son conservativas, la energíatotal de la partícula permanece constante en el transcurso del movimiento".

Esto equivale a decir, que si la energía cinética de un sistema conservativo au-menta (o disminuye) en cierta cantidad, la energía potencial debe disminuir (o aumen-tar) en la misma cantidad. Lo que el sistema gane en energía cinética lo pierde en ene r-gía potencial.

3.4. Curvas de Energía Potencial

La energía potencial de un campo conservativo, que es función de la posición dela partícula, puede representarse en un gráfico cartesiano EP-r. La gráfica resultante,llamada "Diagrama de Energía Potencial", permite estudiar la fuerza conservativa F queactúa sobre la partícula en cualquier posición, a partir de la definición de la fuerza con-servativa:

W (trabajo de la fuerza conservativa)= ∫ ∆−=•B

AEPrdF

rr

Sea dW el trabajo realizado por la fuerza conservativa Fr

en un desplazamientoinfinitesimal rd

r, o sea: dEPrdFdW −=•= rr

y expresando la fuerza en función de sus componentes:kFjFiFF zyx

rrrr++=

podemos escribir: EPGradEPrd

dEPF ∇−=−=−= rr

luego: kz

EPj

yEP

ix

EPkFjFiF zyx

rrrrrr

∂∂−

∂∂−

∂∂−=++

de donde: x

EPFx ∂

∂−= y

EPFy ∂

∂−= z

EPFz ∂

∂−=

si el desplazamiento queda restringido a una sola dimensión, por ejemplo, la direccióndel eje X, resultará derivada total en vez de derivada parcial:

dxdEP

Fx −=

Si se conoce la función de Energía Potencial en cada punto del desplazamiento, lacomponente de dicho desplazamiento corresponde a la pendiente de la curva cambiadade signo.

Cuando la curva decrece (pendiente negativa) la fuerza conservativa es positiva ycuando la curva crece (pendiente positiva) la fuerza es negativa. Si la curva es asintóticaa un eje horizontal, su pendiente tiende a cero lo que significa que la fuerza conservativatiende a cero (extremo derecho de la curva) y si la curva es asintótica al eje vertical, lapendiente tiende a infinito y la fuerza conservativa consecuentemente se hace infinita-mente grande (extremo izquierdo de la curva).


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FIG.4

Los puntos máximos (x5 ) y mínimos (x3 y x6) representan valores de fuerza ceroya que la pendiente de la curva es nula. Estos puntos se llaman puntos de equilibrio (sicolocamos una partícula en cualquiera de ellos con velocidad nula, se quedará allí sinmoverse); y existen puntos de equilibrio estable (puntos mínimos) y puntos de equili-brio inestable (puntos máximos).

Son puntos de equilibrio estable aquellos que en los que al desplazar la partículaligeramente de su posición de equilibrio (tanto a la derecha como a la izquierda), lafuerza que el campo ejerce sobre ella tiende a volverla a su posición original. Es el casode x3 y x6.

Los puntos de equilibrio inestable son aquellos en los que la partícula, al ser des-plazada ligeramente de esa posición se verá sometida a una fuerza que tiende a alejarlaindefinidamente y no se vuelve a recuperar la posición. Es el caso de x5.

Como vemos, los equilibrios corresponden a máximos y mínimos de la curva deenergía potencial, y podemos enunciar: La fuerza que el campo ejerce sobre una partí-cula en un punto del campo va dirigida siempre hacia posiciones de menor energía po-tencial".

Analicemos ahora las zonas en que puede moverse la partícula en función de suenergía total. Supongamos que colocamos a m en la posición x5 y le damos una veloci-dad hacia la izquierda tal que su energía total es E4, es decir: EC=E4-EP(x5). La partí-cula será acelerada desde x5 a x3 y se verá frenada desde x3 hacia la izquierda. Al llegar ax1 su energía potencial es su energía total, y no posee energía cinética EC=0, o sea, separa en x1 y la fuerza del campo la devuelve hacia la derecha, sentido que seguirá inde-finidamente.

El punto x1, con energía E4, es un punto de retroceso, que la partícula no puedesuperar. Continuar a la izquierda de x1 supondría tener EP>E4 y por lo tanto EC<O(energía cinética negativa) lo cual no tiene sentido físico por corresponder a una veloci-dad imaginaria.

Si la energía total de la partícula es E3, tiene dos posibles zonas donde moverse, yel que lo haga en una o en otra depende de la posición inicial en que la coloquemos,


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pero una vez colocada en una de ellas no podrá pasar a la otra, ya que entre ambasexiste una barrera de potencial, que corresponde a un salto de energía elevado, inacce-sible para la partícula si no recibe acciones exteriores ajenas al campo.

Cuando la energía total de la partícula es E2, su movimiento está restringido a va-lores de x tales que x2≤ x≤ x4. Las posiciones x2 y x4 son puntos de retroceso, donde lavelocidad de la partícula es nula, y posee velocidad máxima cuando la partícula se en-cuentra en x3 donde EP es mínima y su EC es máxima.

Con energía total E1 sólo puede estar en x3 y en reposo, y con E<E1 no puedeexistir la partícula en el campo descrito por EP(x).

3.5. Fuerzas no-conservativas. Energía interna.

Entre las fuerzas no conservativas tenemos, concretamente, las fuerzas de roza-miento y todas las que dependen de la velocidad del cuerpo (rozamiento en cuerpos só-lidos y fluidos). A lo largo de una trayectoria de desplazamiento, el trabajo de las fuer-zas no conservativas se disipa en formas de energía no recuperable como es la energíatérmica, y en una trayectoria cerrada no se retorna a la posición inicial en igual estadode energía, por lo que el trabajo en dicha trayectoria no es nulo.

En una situación real además de las fuerzas conservativas de los campos, actúanfuerzas no conservativas, como rozamientos y en este caso hemos de considerar la ener-gía dis ipada, para que se cumpla el principio de conservación de la energía.

Recordando que la energía mecánica es igual a la suma de la energía cinética másla energía potencial debida a los diversos campos conservativos, vamos a calcular eltrabajo que se realiza sobre un cuerpo por la actuación de un conjunto de fuerzas con-servativas iF

r y una fuerza no conservativa ncF

r. El trabajo neto realizado sobre el cuer-

po se invierte en variarle al cuerpo la energía cinética, o sea:dECdWneto =

siendo: dECrdFrdFrdFdW ncneto =+•+•+•= ...21

rrrrrr

como el trabajo de las distintas fuerzas conservativas lo podemos expresar como unavariación de la energía potencial asociada al campo vectorial correspondiente a la fuerzaconservativa: 11 dEPrdF −=• rr

22 dEPrdF −=• rr

………………….Sustituyendo: dECdEPdEPrdFdW ncneto =−−+−•= ...21

rr luego:

( ) Mnc dEEPEPECddEPdEPdECrdF =+++=+++=• ...... 2121

rr

siendo EM la llamada Energía Mecánica del sistema.

El resultado final se interpreta así: “El trabajo de la fuerza no conservativa esigual a la variación de la Energía Mecánica que experimenta el sistema”, de tal modoque si la fuerza ncF

r es una fuerza de rozamiento, se producen un trabajo resistivo, o sea,

contra el sistema (trabajo negativo 0<• rdFnc

rr) resultando: Mnc dErdF −=• rr

y la energía mecánica disminuye.


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En el caso particular de que no existan fuerzas no conservativas ncFr

=0, resultará

0=• rdFnc

rr y dEM=0 luego la Energía Mecánica se conserva.

Si la presencia de las fuerzas de rozamiento, como caso más general de fuerzas noconservativa, supone una disminución de la energía mecaniza del sistema, ¿dónde estála energía perdida?. Como el principio de conservación de la energía no puede violarse,se explica la pérdida de energía como una conversión en energía térmica en las superfi-cies que rozan, y por consiguiente hay que considerarla en el balance general de energía.Hemos de tener en cuenta que esta energía es la manifestación macroscópica de la agi-tación atómica y molecular, agitación que se caracteriza por la energía cinética a nivelmolecular. Esta energía es la que conocemos como Energía Interna.

3.6. Conservación de la Masa-Energía.

Uno de los principios básicos de la dinámica newtoniana, aceptado unánimemen-te, es el de la constancia de la masa. La masa de un sistema físico permanece constantey no varía a lo largo del desarrollo del fenómeno físico. La masa es una constante delsistema y se considera independiente de las variables del sistema, longitud, tiempo, ve-locidad, etc. Incluso en una transformación química (reacción química) se considera unaley fundamental la constancia de la masa, demostrada en los numerosos experimentosrealizados por Lavoisier en sistemas aislados.

En el ámbito de la Mecánica Clásica se admite como ley fundamental el Principiode Conservación de la Masa: "La masa total de un sistema aislado es constante, inde-pendientemente del tiempo”. Tomando como axioma que el Universo es un sistemaaislado, podemos generalizar diciendo: "La masa total de Universo es constante, inde-pendientemente del tiempo".

Análogamente, la energía que se pone en juego en la transformación de un sistemaaislado, como ya hemos estudiado, es constante con el tiempo. Este principio es verifi-cable por la experiencia en infinidad de casos, cualesquiera que sean las fuerzas queactúan en su interior y sean o no conservativas. En las transformaciones de energía deuna forma a otra, la cantidad total permanece constante. Considerando que el Universoes un sistema aislado, se puede afirmar que: "La energía total del Universo se mantieneconstante".

Fuera del ámbito de la mecánica newtoniana, es decir, cuando se estudian fenó-menos físicos del micromundo, relacionados con las partículas atómicas y nucleares,sólo son aplicables los principios de la Mecánica Cuántica. En este ámbito se descubrióque se puede producir desaparición o creación de masa, con la consiguiente aparición odesaparición de energía. Es el caso de las partículas que constituyen el núcleo atómicoen las que se detecta un defecto másico consistente en una diferencia entre la suma delas masas de las partículas individuales y la masa de núcleo una vez constituido. Estedefecto másico se corresponde con la existencia de una enorme cantidad de energía deligadura entre las partículas que constituyen el núcleo (energía inexistente cuando laspartículas estaban separadas).

Albert Einstein demostró que la masa desaparecida y la energía aparecida en la li-gadura de las partículas nucleares están relacionadas por la expresión:


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E = m.c2

siendo c, velocidad de la luz, una constante universal.

Con ello, los principios iniciales de Conservación de la Masa y Conservación dela Energía, de la Mecánica Clásica, pierden validez y se reunifican en un único princi-pio de conservación de la masa-energía que puede enunciarse así; "En un sistema ais-lado, la suma de las masas y las energías totales, permanece constante e independientedel tiempo".

La masa y la energía son magnitudes equivalentes y constituyen dos manifesta-ciones diferentes de una única propiedad fundamental de la materia. La transformaciónde masa en energía (formación de núcleos a partir de sus nucleones constituyentes) y latransformación de energía en masa (materialización de partículas a partir de fotones dealta energía) son fenómenos posibles, totalmente demostrados por los trabajos experi-mentales realizados con las partículas subatómicas en los laboratorios de aceleración departículas.

4. LA ENERGIA A LO LARGO DE LA HISTORIA

4.1. La Energía en la Antigüedad.

Básicamente, el fin primordial del esfuerzo de la humanidad desde sus inicioshasta hoy día, y seguramente en todo su futuro, ha sido, tras asegurar su supervivencia,mejorar su nivel de vida en todos sus aspectos. Hasta que el hombre aprendió a domes-ticar y aparejar a los animales de tiro, su única fuente de energía era su propia fuerzamuscular. Observó que una alimentación adecuada era la base del progreso y así apli-cando una mayor energía a la agricultura, conseguía una mayor producción de alimentosde calidad.

Tuvieron que pasar muchos miles de años hasta que el hombre descubriera otrafuente de energía. Hace 100.000 años se empezó a utilizar la madera como combustible,para obtener calor y cocinar alimentos, con lo que se cambia el origen de la energía. Sepasa de una energía de origen animal a una energía de origen químico, lo que supuso ungran paso adelante. Muchos siglos después, se inventa la rueda hidráulica y el molino deviento, que pusieron a disposición de la humanidad, una energía de origen mecánico.Más adelante comienza a emplearse el carbón como combustible, lo que dio lugar a ungran avance en la industria y sentó las bases para la revolución industrial.

4.2. La máquina de vapor.

Un hecho trascendental en la historia, y quizá el que más repercusiones tuvo en elámbito social, fue la invención de la máquina de vapor, que consistía en un dispositivomecánico que utilizando la propiedades del vapor de agua a presión (obtenido por ca-lentamiento en cámaras cerradas), y tras su expansión en cilindros adecuados, permitíaconvertir el calor del vapor en fuerza mecánica del émbolo del cilindro.

Esta máquina, junto con el carbón como combustible, abrieron nuevos horizontesdando un gran impulso al desarrollo de la industria, las comunicaciones, el bienestar,etc. Durante toda la segunda mitad del siglo XVIII y todo el siglo XIX, la máquina de


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vapor fue desarrollándose y mejorando técnicamente al tiempo que se aplicaba a mu-chos ámbitos de la actividad laboral y social.

4.3. La electricidad.

Unos 100 años después de la invención de la máquina de vapor, aparece otra nue-va forma de energía, la electricidad, ya conocida desde la antigüedad en ciertos fenó-menos naturales. La electricidad presentaba las ventajas de ser una energía fácil detransportar de forma eficiente y económica y unido esto a una tecnología de produccióny distribución más sencilla, limpia y eficiente, pronto se universalizó su uso. Además,esta energía se podía transformar en luz, calor, frío movimiento, sonido, esfuerzo, ener-gía mecánica, etc. todas ellas formas de energía permanentemente utilizadas por la hu-manidad, lo que daba una gran libertad y versatilidad en sus usos y aplicaciones.

A finales del siglo XIX la energía eléctrica empieza a introducirse en todos los as-pectos de la vida como fuente única y básica de energía que sustituía al carbón, gas,tracción animal, etc. La electricidad se utiliza en la industria, las fábricas, las comunica-ciones, en las ciudades, en los hogares, en la agricultura, etc.

4.4. La energía nuclear.

En la década de los años 30 del presente siglo XX avanzan los descubrimientossobre la constitución de la materia y se logra por primera vez la fisión nuclear, merced aun gigantesco esfuerzo de investigación puesto en juego por razones bélicas, que diocomo resultado la construcción de las primeras bombas atómicas, utilizadas militar-mente, basadas en la escisión violenta del átomo de uranio. ¡Ha nacido la energía nu-clear! La aplicación más importante de esta clase de energía es la producción de enor-mes cantidades de calor mediante la escisión controlada del uranio, en un reactor nu-clear y su aprovechamiento para la producción de electricidad.

Esta energía ha sido actualmente muy contestada socialmente por considerarsemuy contaminante, muy costosa en sus instalaciones, muy controlada por grandes gru-pos económicos de poder, con su costoso mantenimiento y su costosa tecnología deeliminación de residuos. Por ello se buscan energías alternativas.

4.5. Evolución de los combustibles.

Hace unos 100.000 años, se utilizaba como combustible únicamente la madera, yaunque las necesidades del hombre eran muy simples, ésta se empleaba para producircalor y el preparado de alimentos. Tuvo que pasar mucho tiempo hasta el descubri-miento del carbón como combustible, el cual adquirió un papel fundamental comofuente energética al estar íntimamente vinculado su uso, con las innovaciones introduc i-das en la época, como la máquina de vapor, el alto horno, el ferrocarril.

En el último tercio del siglo XIX se empieza a usar el petróleo, primero en crudoy más adelante sus productos de destilación, como combustibles en máquinas, hornos yferrocarriles, lo que dio lugar a la readaptación técnica de estas máquinas al nuevo com-bustible y al desarrollo de otras nuevas máquinas ante la posibilidad de nuevos combus-tibles, como motores de explosión, motores diesel, turbinas, etc. Estos nuevos combus-tibles aventajan al carbón en algunas aplicaciones industriales y técnicas, lo que trae


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consigo una disminución importante en el consumo de carbón y otras consecuenciassociales. En la segunda decena de este siglo, comienza a usarse el gas natural comocombustible, con la ventaja de ser limpio, económico, de gran poder calorífico y de usosmúltiples y variados.

En la segunda mitad del siglo aparece el combustible nuclear (uranio fisionable) ya partir de él se desarrollan centrales nucleares para la producción masiva de electrici-dad. En un futuro, al margen de las energías alternativas que se están investigando, setiene puesta la esperanza en el hidrógeno como combustible de las futuras centrales defusión nuclear de producción de energía eléctrica.

5. LA ENERGIA EN LA SOCIEDAD ACTUAL.

La energía tiene una importancia trascendental en el mundo moderno. Al entrar enla Revolución Industrial se entró en la era del maquinismo y desde entonces no ha deja-do de incrementarse de forma casi exponencial su empleo, hasta el punto de que hoy endía el consumo energético constituye uno de los indicadores más fiables del nivel dedesarrollo económico de los pueblos.

La evolución de la energía ha estado asociada a una mejora en el bienestar de lahumanidad, lo que lleva consigo mejoras en todos los aspectos de la actividad humana,como alimentación, trabajo, sanidad, ocio, transportes, Comercio, etc.

5.1. Formas de Energía.

Aunque desde el punto de vista físico, las clases de energía que se presenta en lanaturaleza sólo son dos:a) Energía Cinética, como energía asociada al movimiento de una partícula o un siste-

ma de partículas.b) Energía Potencial, como energía asociada a la partícula o sistema de partículas por

encontrarse situada en un campo de fuerzas conservativo,desde el punto de vista práctico, las formas en que se puede presentar la energía las po-demos agrupar en seis tipos:

1) Energía mecánica. Como tal energía consideramos la energía cinética, la ene r-gía potencial gravitatoria y la energía elástica de los cuerpos.

2) Energía electromagnética, incluye las manifestaciones de esta energía, que sonel campo electrostático, el campo magnético y la corriente eléctrica.

3) Energía térmica, es la energía interna de los cuerpos debido a la agitación mo-lecular y que se manifiesta externamente como calor.

4) Energía química, es la energía que poseen los compuestos en razón de la esta-bilidad de sus enlaces químicos y se pone de manifiesto en una reacción quí-mica.

5) Energía metabólica, es una energía química, generada en los organismos vivospor la oxidación, en las células, de los alimentos ingeridos.

6) Energía nuclear, es la energía que proviene de reacciones nucleares, que pue-den ser de desintegración de núcleos atómicos radiactivos, de fisión de nú-cleos pesados o de fusión de núcleos ligeros (energía estelar).


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5.2. Fuentes de Energía.

Las distintas fuentes de energía las podemos clasificar según sean o no renova-bles. Las fuentes de energía renovables son aquellas que por llegar de forma continua ala Tierra, son inagotables y las fuentes de energía no renovables son aquellas que seencuentran en cantidad fija en el planeta y por consiguiente al consumirlas se agotan.

Dentro de las fuentes de energía renovables tenemos:

- La energía hidráulica, que se obtiene a partir de las corrientes de agua de losríos, bien de su curso natural o de su curso alterado, canalizado o acumuladoen presas.

- La energía solar, es la energía que llega a la Tierra en forma de radiación elec-tromagnética procedente del sol. Comprende fundamentalmente el margen deradiaciones correspondientes al infrarrojo.

- La energía eólica, energía producida por el movimiento de los vientos comoconsecuencia del calentamiento diferencial del planeta.

- La energía de la biomasa, es la energía obtenida a partir de los compuestos or-gánicos generados por los procesos naturales.

- La energía mareomotriz, es la energía mecánica generada por el movimientode las mareas de los mares.

Dentro de las fuentes de energía no renovables tenemos:

- El carbón, es un combustible fósil formado por acumulación de vegetales quetras un largo proceso de reducción (carbonización) se transformaron en losdistintos tipos de carbón, entre los que destacan los carbones duros (antracita yhulla) y los carbones blandos (lignitos y turba).

- El petróleo, es un aceite mineral natural de composición compleja que se origi-nó a partir de una materia prima formada fundamentalmente por restos de or-ganismos vivos, acuáticos, vegetales y animales que se han ido depositando ytransformándose en hidrocarburos por un proceso de degradación. Así, el cru-do del petróleo es una mezcla de hidrocarburos que como tal, no tiene muchasaplicaciones. Necesita una serie de transformaciones en el proceso llamadorefino del petróleo, que consiste en una destilación francio nada continua, paradescomponerlo en sus diferentes fracciones como gases, hidrocarburos ligeros,gasolinas, queroseno, gas-oil, fuel-oil, parafinas y aceites pesados.

- El Gas Natural, es una mezcla de gases combustibles hidrocarburados o no,que se encuentran en el subsuelo y que procede de la degradación de sustan-cias orgánicas. Su principal componente es el metano.

- La Energía Geotérmica, es la contenida en el interior de la Tierra y su salida alexterior puede ser en forma de gases (fumarolas y solfataras), en forma de va-por y agua hirviendo (géyseres) y en forma de agua caliente (fuentes terma-les).

- La Energía Nuclear, es la energía proveniente de reacciones nucleares o de ladesintegración de los núcleos de algunos átomos radiactivos. Procede de la li-beración de la energía almacenada en el núcleo atómico inestable. Las dosprincipales reacciones que liberan energía susceptible de aprovechamiento in-dustrial son la fisión de núcleos pesados y la fusión de núcleos ligeros.


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5.3. Energía Eléctrica. Su desarrollo.

Sería muy difícil señalar alguna rama de la actividad en la vida cotidiana delhombre en la que no intervenga la electricidad. Esta forma de energía ha cambiado lascondiciones de vida del hombre desde que a finales del siglo XIX comenzó a ser utili-zada a nivel industrial.

Las características fundamentales de la energía eléctrica, que la diferencian deotras fuentes de energía, son:

- Puede ser transformada instantáneamente en otras formas de energía (mecáni-ca, luminosa, calorífica, química, etc.) mediante máquinas de sencillo uso ycon un alto rend imiento.

- Puede ser transportada a largas distancias con muy pocas pérdidas, de manerainmediata, sin ocupar espacio y sin necesidad de ser almacenada, acumulada oguardada. Su producción y consumo son prácticamente instantáneos.

- Puede ser producida por diversos métodos y a partir de diversas fuentes. Laenergía eléctrica no es una energía primaria; no se encuentra como tal en lanaturaleza, sino que es necesario obtenerla a partir de energías primarias (car-bón, petróleo, energía potencial hidráulica, etc.). La producción de esta ene r-gía se realiza en las centrales eléctricas a través de generadores, los cuales sonunos mecanismos electromagnéticos, que basados en los fenómenos de induc-ción electromagnética, produce corriente eléctrica a partir de campos eléctri-cos móviles.

Los generadores constan de dos piezas fundamentales:

Estator: armadura metálica fija cubierta interiormente por una serie de bobinas dehilo de cobre, por donde, al circular corriente, produce un campo magnético.

Rotor: situado dentro del estator y girando alrededor de un eje que pasa por elcentro de ambos. Tiene forma cilíndrica y formado por una serie de bobinas de hilo decobre, que se transforman en electroimanes cuando se les suministra una corriente eléc-trica. Cuando el rotor gira a gran velocidad (giro que se le ha de comunicar desde elexterior, por ejemplo, mediante una turbina) se producen corrientes eléctricas inducidasen las bobinas del estator. Estas corrientes determinan la fuerza electromotriz del gene-rador, y el aparato se convierte en un generador de fuerza electromotriz. La energíaeléctrica del generador se transmite hasta los centros de consumo mediante tendidoseléctricos de alta tensión.

La electricidad tiene múltiples aplicaciones en todos los sectores de la actividadhumana por ser una fuente de energía limpia, silenciosa, sin residuos, económica res-pecto a otras fuentes, universal pues puede llegar a todos los usuarios, siempre que sedisponga de las adecuadas infraestructuras, etc. por todas estas características, la electri-cidad se ha universalizado como principal fuente de energía actual.

6. REPERCUSIONES MEDIOAMBIENTALES.

El estudio de las diferentes formas energéticas y su influencia en el medio am-biente, con frecuencia, se analiza sólo parcialmente y no en su totalidad como sería locorrecto. Es decir, una determinada fuente energética no sólo puede afectar al medio


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ambiente cuando está generando electricidad, sino también en el proceso de obtenciónde dicha fuente De los distintos recursos existentes, examinaremos aquellos que en laactualidad presentan cierto grado de utilización, como el carbón, el petróleo y el uranio.

6.1. Carbón

La minería del Carbón presenta una incidencia medioambiental que puede variarsegún sea la explotación a cielo abierto o a través de pozos y minas subterráneas.

Cuando es a cielo abierto, las consecuencias negativas para el entorno son muyimportantes, al dejar la tierra estéril y permitir la erosión por las lluvias que arrastraránproductos sulfúreos asociados al carbón y que dañarán el hábitat donde se depositen.Cuando la explotación es subterránea hay que destacar la peligrosidad inherente a estaactividad (derrumbamientos, explosiones, accidentes, contaminación del aire) y los da-ños a la integridad y a la salud de las personas También destacamos la cantidad de mate-ria contaminante sacada de las entrañas de la tierra y depositada en los alrededores delas minas, dejando estéril el suelo y contaminando donde se depositen.

También presenta una negativa influencia medioambiental, el proceso de purifica-ción del carbón extraído de las minas, el cual requiere grandes cantidades de agua, queal volver a sus cauces naturales, vuelven contaminadas. El transporte de carbón a lascentrales térmicas supone una fuente contaminante de polvillo de carbón y sustanciassufurosas, hacia el aire y la tierra y que se extenderá por medio de las lluvias.

6.2. Petróleo.

Los campos de explotación de crudo que se encuentren en los desiertos presentanincidencias medioambientales escasas, pues al ser tierras despobladas, su importancia esmenor por razones obvias. Los campos de explotación que se encuentren en los mares,presentan mayor incidencia medioambiental, sobre todo por la frecuencia de las mareasnegras, que se extienden a amplias zonas del océano en zonas pobladas de seres vivos.

En el proceso de destilación, refinado, craking, etc. del petróleo se suelen empleargrandes cantidades de agua que luego quedaran con altos niveles de contaminación yvolverán así a sus cauces naturales siendo vehículo para la propagación de la contami-nación. Los niveles de contaminación en las industrias de tratamiento del petróleo estánsometidos a una vigilancia especial, no permitiéndose sobrepasar ciertos niveles esta-blecidos. La contaminación atmosférica que se produce es también importante y paradisminuir sus efectos se utilizan chimeneas de mucha altura, filtros catalíticos de con-taminantes y análisis continuos de las muestras expulsadas.

La exploración, explotación y producción de petróleo y sus derivados produce unadegradación ambiental que provoca daños ecológicos importantes y que pueden afectarseriamente al entorno, al clima y al hombre, aunque aun no se conocen a fondo las con-secuencias a largo plazo.

6.3. Uranio

La extracción del Uranio no presenta incidencias sobre el medio ambiente distin-tas a las que presentan otras actividades mineras Los niveles de radiactividad están muy


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controlados y vigilados de manera que no ofrecen grandes problemas. La contaminaciónradiactiva del uranio se presenta seriamente en su procesamiento industrial y en lascentrales nucleares.

6.4. Contaminación por centrales eléctricas (convencionales y nucleares).

La producción de electricidad también tiene sus efectos sobre el medio ambiente.Uno de los aspectos a tener en cuenta son los materia les necesarios para la construcciónde la central (cemento, hormigón, acero, metales, ácidos y otros productos químicos,etc.), ya que toda instalación industrial supone una cierta degradación ambiental (tala deárboles, explanaciones de terreno, cambios de cursos de agua, Construcción de carrete-ras, introducción de los materiales de construcción, etc.).

Otro elemento a tener en cuenta es la ocupación del espacio, haciendo desaparecerlos hábitat naturales existentes en esos terrenos. La fábrica de producción de energía quemenos espacio requiere para su construcción es la central nuclear.

Una vez construida la central, ésta tiene un período de funcionamiento limitado yuna vez cumplido ese período, es decir, cuando se cierra la central, la maquinaria y lazona donde ha estado ubicada presentan unos niveles de degradación y contaminaciónelevados. En la actualidad existe un sistema de reglas y procedimientos para eliminar oreducir al mínimo estos altos niveles de contaminación.

Si consideramos una Central Térmica Convencional (alimentadas por carbón,fuel-oil o gas natural) funcionando en condiciones normales emitirá una serie de pro-ductos con claros efectos contaminantes sobre el medio ambiente y sobre los seres vi-vos. Estos contaminantes son principalmente partículas, óxidos de azufre, óxidos denitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos, los cuales será necesario analizar paraconocer el grado de contaminación. Uno de los efectos que más consecuencias negati-vas puede tener sobre el clima es la lluvia ácida producida por la combinación de aguacon los óxidos de nitrógeno y de azufre liberados a la atmósfera. Las medidas que sehan de adoptar para disminuir estos efectos son la reducción de las emisiones de estoscontaminantes.

En el caso de una Central Térmica Nuclear, antes de proceder a su instalación, de-ben estar muy estudiados los efectos medioambientales y cómo evitarlos. Se sabe que laradiactividad decrece con el tiempo, disminuyendo su peligrosidad. Por ello se adoptanmedidas para que, aún en las condiciones más desfavorables, las sustancias radiactivasno queden libres y puedan afectar a la biosfera antes de que su peligrosidad haya desa-parecido.

En una central nuclear funcionando en condiciones normales, las dosis de radiac-tividad recibidas por el personal de la instalación, así como por la población limítrofe,son inferiores al límite establecido. Existen unos programas de vigilancia de la radiacti-vidad ambiental que se aplican en los alrededores de las centrales, lo que lleva consigola toma de muchas muestras y la realización de muchas determinaciones.

Actualmente las técnicas de evacuación de residuos radiactivos se centran en: in-mersión en fosas oceánicas, disposición de trincheras superficiales y enterramiento enzonas geológicas estables y muy profundas.


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7. ENERGÍAS ALTERNATIVAS DE RECURSOS RENOVABLES

Las energías renovables son aquellas que por llegar a la Tierra de manera conti-nua, procedente de la fuente principal que es el Sol, son inagotables pues siempre seestán renovando. Destacamos la energía hidráulica, la solar, la eólica, la energía debiomasa y la mareomotriz.

- Energía Hidráulica. Es la que se obtiene a partir de las corrientes de agua de losríos. Su aprovechamiento consiste en retener el agua en unos embalses o pantanos (me-diante presas) para acumularla y aprovechar la energía potencial almacenada en esa ma-sa de agua, que al caer desarrollará esa energía en energía cinética que moverá unasturbinas y éstas a su vez, moverán unos alternadores y se producirá energía eléctrica.Principalmente se emplea en la producción de electricidad.

- Energía Solar. Es la energía electromagnética procedente del Sol, que tiene laparticularidad de que no puede ser directamente almacenada, sino que ha de ser trans-formada inmediatamente de ser recogida, en otra forma de energía. Se utiliza para ello:tubos de agua (calor) células fotovoltaicas (electricidad), etc.

- Energía Eólica. Es la energía producida por el movimiento de los vientos queactualmente se utiliza para accionar molinos, bombas y pequeñas dinamos productorade corriente. Tiene el inconveniente de que a mayor cantidad de materia prima mayoresson los problemas de corrosión, erosión, desgaste, etc.

- Energía de la biomasa. Es la energía obtenida por los procesos naturales que seproducen en la Tierra sobre los compuestos orgánicos. Se puede obtener biomasa esta-bleciendo cultivos transformables en combustibles, o bien, por aprovechamiento de re-siduos.

- Energía mareomotriz. Es la energía que se obtiene del movimiento alternativodel mar en las mareas y corrientes marinas, aunque apenas se utiliza. Esta energía puedeser aprovechada de tres formas: mareas, olas y diferencias térmicas de sus diferentescapas. Tiene el inconveniente del alto costo de las instalaciones necesarias y el pocodesarrollo de su tecnología.

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA

Manuel ORTEGA GIRÓN. Lecciones de Física. Mecánica 3. Departamento deFísica Aplicada. Universidad de Córdoba. CÓRDOBA.

Santiago BURBANO DE ERCILLA, Enrique BURBANO GARCÍA y CarlosGARCÍA MUÑOZ. Física General. XXXI Edición. Mira Editores. ZARAGOZA.

Raymond A. SERWAY. Física. Nueva Editorial Interamericana. MEJICO:

Marcelo ALONSO y Edward J.FINN. Física. Vol.I. Mecánica. Adisson-WesleyIberoamericana. MEJICO.

FORUM ATÓMICO ESPAÑOL. El Libro de la Energía. 1987. MADRID.


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Tratamiento Didáctico----------------------------------------------------------------------------------------------------------OBJETIVOS

Introducir el importante concepto físico de Energía como agente regulador de todoslos fenómenos de la naturaleza, tanto físicos, químicos, geológicos, biológicos, astro-nómicos, moleculares, atómicos, etc.

Establecer una relación matemática que permita la medida de la energía a través deltrabajo mecánico generalizando a todas las situaciones.

Describir el principio de conservación de la energía como ley general de la naturale-za y base de las leyes estudiadas en la física y en la química.

Informar, formar y concienciar al alumno de las necesidades energéticas de la socie-dad actual y sus repercusiones medioambientales tanto positivas como negativas.UBICACIÓN

En la E.S.O. se ubica el tema de una manera escalonada, según la edad. En el primerciclo (1º y 2º cursos) introducción de conceptos básicos a nivel de observación y expe-rimentación y en el segundo ciclo (3º y 4º) desarrollo del tema en su totalidad prescin-diendo del aparato matemático.

El tema completo con todo su rigor, debe ubicarse en los cursos de Bachillerato.TEMPORALIZACIÓN

Puede desarrollarse el tema completo en un periodo de seis horas para explicar todossus apartados. Debe completarse con 2 horas para resolución de problemas numéricos.METODOLOGÍA

Explicación exhaustiva del concepto de energía, tanto de la energía cinética comopotencial, ilustrándolo con ejemplos de las distintas manifestaciones de la energía en lanaturaleza.

Motivar al alumno al razonamiento y la discusión de las relaciones energéticas que sepresentan en situaciones reales obligando a interpretar y obtener conclusiones.

Resolución de problemas numéricos relacionados con situaciones de la vida diariautilizando variadas unidades que obligue a la conversión de unidades para la exclusivautilización del Sistema Internacional.CONTENIDOS MÍNIMOS

Conceptos de Trabajo, Potencia y Energía.Energía Cinética.Campo de fuerzas. Fuerza conservativa.Energía potencial. Intensidad de campo.Principio de conservación de la energía.Fuerzas no conservativas.Curvas sencillas de energía potencial.Manifestaciones de la energía. Fuentes de energía. Combustibles.Contaminación de las fuentes de energía.Energías alternativas.

MATERIALES Y RECURSOS DIDÁCTICOSLibro de Texto complementado con apuntes de clase.Hojas de problemas de Trabajo, Potencia y Energía.Vídeos didácticos sobre fuentes de energía, centrales eléctricas, energía nuclear,

contaminación, etc., previamente seleccionados y con un guión del profesor.Lecturas adicionales sobre el tema de la energía en la sociedad actual.Trabajos de recopilación de artículos de revistas y periódicos relacionados con la

energía, contaminación, vertidos, energía nuclear, energías alternativas, etc.


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EVALUACIÓNPruebas objetivas de carácter teóricos que versen sobre los conceptos fundamentales

relacionados con la energía y fuentes de energía.Pruebas escritas con problemas numéricos exigiendo resolución completa con utili-

zación de máquinas calculadoras.Pruebas de opción múltiple con preguntas de varias respuestas (3 falsas y 1 cierta)

que obligue al alumno al razonamiento de las situaciones planteadas.

TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA (Oposiciones de Enseñanza...

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