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Física Universitaria Volumen 1

8.5 Fuentes de energía

Física Universitaria Volumen 18.5 Fuentes de energía
  1. Prefacio
  2. Mecánica
    1. 1 Unidades y medidas
      1. Introducción
      2. 1.1 El alcance y la escala de la Física
      3. 1.2 Unidades y estándares
      4. 1.3 Conversión de unidades
      5. 1.4 Análisis dimensional
      6. 1.5 Estimaciones y cálculos de Fermi
      7. 1.6 Cifras significativas
      8. 1.7 Resolver problemas de física
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Vectores
      1. Introducción
      2. 2.1 Escalares y vectores
      3. 2.2 Sistemas de coordenadas y componentes de un vector
      4. 2.3 Álgebra de vectores
      5. 2.4 Productos de los vectores
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Movimiento rectilíneo
      1. Introducción
      2. 3.1 Posición, desplazamiento y velocidad media
      3. 3.2 Velocidad y rapidez instantáneas
      4. 3.3 Aceleración media e instantánea
      5. 3.4 Movimiento con aceleración constante
      6. 3.5 Caída libre
      7. 3.6 Calcular la velocidad y el desplazamiento a partir de la aceleración
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Movimiento en dos y tres dimensiones
      1. Introducción
      2. 4.1 Vectores de desplazamiento y velocidad
      3. 4.2 Vector de aceleración
      4. 4.3 Movimiento de proyectil
      5. 4.4 Movimiento circular uniforme
      6. 4.5 Movimiento relativo en una y dos dimensiones
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 5 Leyes del movimiento de Newton
      1. Introducción
      2. 5.1 Fuerzas
      3. 5.2 Primera ley de Newton
      4. 5.3 Segunda ley de Newton
      5. 5.4 Masa y peso
      6. 5.5 Tercera ley de Newton
      7. 5.6 Fuerzas comunes
      8. 5.7 Dibujar diagramas de cuerpo libre
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 6 Aplicaciones de las leyes de Newton
      1. Introducción
      2. 6.1 Resolución de problemas con las leyes de Newton
      3. 6.2 Fricción
      4. 6.3 Fuerza centrípeta
      5. 6.4 Fuerza de arrastre y velocidad límite
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 7 Trabajo y energía cinética
      1. Introducción
      2. 7.1 Trabajo
      3. 7.2 Energía cinética
      4. 7.3 Teorema de trabajo-energía
      5. 7.4 Potencia
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 8 Energía potencial y conservación de la energía
      1. Introducción
      2. 8.1 Energía potencial de un sistema
      3. 8.2 Fuerzas conservativas y no conservativas
      4. 8.3 Conservación de la energía
      5. 8.4 Diagramas de energía potencial y estabilidad
      6. 8.5 Fuentes de energía
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    9. 9 Momento lineal y colisiones
      1. Introducción
      2. 9.1 Momento lineal
      3. 9.2 Impulso y colisiones
      4. 9.3 Conservación del momento lineal
      5. 9.4 Tipos de colisiones
      6. 9.5 Colisiones en varias dimensiones
      7. 9.6 Centro de masa
      8. 9.7 Propulsión de cohetes
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 10 Rotación de un eje fijo
      1. Introducción
      2. 10.1 Variables rotacionales
      3. 10.2 Rotación con aceleración angular constante
      4. 10.3 Relacionar cantidades angulares y traslacionales
      5. 10.4 Momento de inercia y energía cinética rotacional
      6. 10.5 Calcular momentos de inercia
      7. 10.6 Torque
      8. 10.7 Segunda ley de Newton para la rotación
      9. 10.8 Trabajo y potencia en el movimiento rotacional
      10. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 11 Momento angular
      1. Introducción
      2. 11.1 Movimiento rodadura
      3. 11.2 Momento angular
      4. 11.3 Conservación del momento angular
      5. 11.4 Precesión de un giroscopio
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 12 Equilibrio estático y elasticidad
      1. Introducción
      2. 12.1 Condiciones para el equilibrio estático
      3. 12.2 Ejemplos de equilibrio estático
      4. 12.3 Estrés, tensión y módulo elástico
      5. 12.4 Elasticidad y plasticidad
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    13. 13 Gravitación
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de la gravitación universal de Newton
      3. 13.2 Gravitación cerca de la superficie terrestre
      4. 13.3 Energía potencial gravitacional y energía total
      5. 13.4 Órbita satelital y energía
      6. 13.5 Leyes del movimiento planetario de Kepler
      7. 13.6 Fuerzas de marea
      8. 13.7 La teoría de la gravedad de Einstein
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    14. 14 Mecánica de fluidos
      1. Introducción
      2. 14.1 Fluidos, densidad y presión
      3. 14.2 Medir la presión
      4. 14.3 Principio de Pascal y la hidráulica
      5. 14.4 Principio de Arquímedes y flotabilidad
      6. 14.5 Dinámicas de fluidos
      7. 14.6 Ecuación de Bernoulli
      8. 14.7 Viscosidad y turbulencia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Ondas y acústica
    1. 15 Oscilaciones
      1. Introducción
      2. 15.1 Movimiento armónico simple
      3. 15.2 Energía en el movimiento armónico simple
      4. 15.3 Comparación de movimiento armónico simple y movimiento circular
      5. 15.4 Péndulos
      6. 15.5 Oscilaciones amortiguadas
      7. 15.6 Oscilaciones forzadas
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 16 Ondas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ondas en desplazamiento
      3. 16.2 Matemáticas de las ondas
      4. 16.3 Rapidez de onda en una cuerda estirada
      5. 16.4 La energía y la potencia de una onda
      6. 16.5 Interferencia de ondas
      7. 16.6 Ondas estacionarias y resonancia
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 17 Sonido
      1. Introducción
      2. 17.1 Ondas sonoras
      3. 17.2 Velocidad del sonido
      4. 17.3 Intensidad del sonido
      5. 17.4 Modos normales de una onda sonora estacionaria
      6. 17.5 Fuentes de sonido musical
      7. 17.6 Batimientos
      8. 17.7 El Efecto Doppler
      9. 17.8 Ondas expansivas
      10. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
    17. Capítulo 17
  12. Índice

Objetivos De Aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Describir las transformaciones y conversiones de energía en términos generales.
  • Explicar qué significa que una fuente de energía sea renovable o no renovable.

En este capítulo hemos estudiado la energía. Hemos aprendido que la energía puede adoptar diferentes formas y transferirse de una forma a otra. Verá que la energía se analiza en muchos contextos cotidianos, así como en los científicos, porque está implicada en todos los procesos físicos. También se hará evidente que muchas situaciones se entienden mejor, o se conceptualizan más fácilmente, al considerar la energía. Hasta ahora, ningún resultado experimental ha contradicho la conservación de la energía. De hecho, siempre que las mediciones han parecido entrar en conflicto con la conservación de energía, se han descubierto o reconocido nuevas formas de energía de acuerdo con este principio.

¿Cuáles son otras formas de energía? Muchas de estas se tratan en capítulos posteriores (vea también la Figura 8.13), aunque detallaremos algunas aquí:

  • Los átomos y las moléculas del interior de todos los objetos están en movimiento aleatorio. La energía cinética interna de estos movimientos aleatorios se denomina energía térmica porque está relacionada con la temperatura del objeto. Observe que la energía térmica también se transfiere de un lugar a otro, sin transformarse ni convertirse, mediante los conocidos procesos de conducción, convección y radiación. En este caso, la energía se conoce como energía calorífica.
  • La energía eléctrica es una forma común que se convierte en muchas otras formas y funciona en una amplia gama de situaciones prácticas.
  • Los combustibles, como la gasolina y los alimentos, tienen energía química, que es energía potencial derivada de su estructura molecular. La energía química se convierte en energía térmica mediante reacciones como la oxidación. Las reacciones químicas también generan energía eléctrica, como en las baterías. La energía eléctrica, a su vez, genera energía térmica y luz, como en un calentador eléctrico o una bombilla.
  • La luz es solo un tipo de radiación electromagnética, o energía radiante que también incluye la radio, el infrarrojo, el ultravioleta, los rayos X y los rayos gama. Todos los cuerpos con energía térmica irradian energía en ondas electromagnéticas.
  • La energía nuclear proviene de reacciones y procesos que convierten cantidades mensurables de masa en energía. La energía nuclear se transforma en energía radiante en el Sol, en energía térmica en las calderas de las plantas de energía nuclear y luego en energía eléctrica en los generadores de las plantas de energía. Estas y todas las demás formas de energía se transforman entre sí y, hasta cierto punto, se convierten en trabajo mecánico.
Los ejemplos de los usos de las diferentes formas de energía se muestran mediante fotografías y las conversiones de una forma a otra mediante flechas. Fotografía del sol que ilustra la energía nuclear. La fusión nuclear produce energía en el sol, que es la fuente última de toda la energía en la Tierra (vea el capítulo 43). La energía nuclear del sol se convierte en energía térmica, radiante, eléctrica o química. La energía térmica se ilustra con una fotografía de molinos de viento. El viento surge del movimiento del aire cuando la atmósfera trata de igualar las temperaturas globales (vea el capítulo 18). La energía radiante se ilustra con una fotografía de paneles solares. Muchos materiales absorben la energía radiante en forma de calor o electricidad (vea los capítulos 18, 33 y 39). La energía eléctrica se ilustra con la fotografía de una computadora portátil. La energía mecánica genera electricidad al mover un conductor a través de un campo magnético (vea el capítulo 29). La energía química se ilustra con una fotografía de la llama de un quemador de gas. La combustión es la oxidación de los compuestos de carbono, como en un motor (vea el capítulo 21). La energía térmica y la energía eléctrica se convierten en energía radiante o química.
Figura 8.13 La energía que utilizamos en la sociedad adopta muchas formas, que se convierten de una en otra, dependiendo del proceso que se realice. Estudiaremos muchas de estas formas de energía en capítulos posteriores de este texto (créditos: "sol", modificación del trabajo del Consorcio del Observatorio Solar y Heliosférico [Solar and Heliospheric Observatory, SOHO] - Telescopio de Imágenes Ultravioleta Extrema [Extreme Utraviolet Imaging Telescope, EIT], ESA y NASA; "paneles solares", modificación del trabajo de "kjkolb"/Wikimedia Commons; "quemador de gas", modificación del trabajo de Steven Depolo).

La transformación de la energía de una forma a otra ocurre todo el tiempo. La energía química de los alimentos se convierte en energía térmica a través del metabolismo; la energía de la luz se convierte en energía química a través de la fotosíntesis. Otro ejemplo de conversión de energía se produce en una celda solar. La luz solar que incide en una celda solar produce electricidad, que se utiliza para hacer funcionar motores eléctricos o calentar agua. En un ejemplo que abarca muchos pasos, la energía química contenida en el carbón se convierte en energía térmica al arder en un horno, para transformar el agua en vapor, en una caldera. Parte de la energía térmica del vapor se convierte en energía mecánica al expandirse y hacer girar una turbina, que está conectada a un generador para producir energía eléctrica. En estos ejemplos, no toda la energía inicial se convierte en las formas mencionadas, porque siempre se transfiere algo de energía al medio ambiente.

La energía es un elemento importante en todos los niveles de la sociedad. Vivimos en un mundo muy interdependiente, y el acceso a recursos energéticos adecuados y fiables es crucial para el crecimiento económico y para mantener la calidad de nuestras vidas. Los principales recursos energéticos que se utilizan en el mundo se muestran en la Figura 8.14. La figura distingue entre dos grandes tipos de fuentes de energía: renovables y no renovables, y además divide cada tipo en algunas clases más específicas. Las fuentes renovables son fuentes de energía que se reponen a través de procesos naturales y continuos, en una escala de tiempo que es mucho más corta que la vida prevista de la civilización que utiliza la fuente. Las fuentes no renovables se agotan una vez que parte de la energía que contienen se extrae y se convierte en otros tipos de energía. Los procesos naturales por los que se forman las fuentes no renovables suelen tener lugar en escalas de tiempo geológicas.

Esta figura presenta gráficos circulares del consumo total de energía mundial por fuentes en 2010. Un gráfico circular del consumo total de energía indica que los combustibles fósiles representan el 80,6 %, las energías renovables el 16,7 % y la nuclear el 2,7 %. Un segundo gráfico circular desglosa las fuentes renovables. En este gráfico circular, el calor de la biomasa representa el 11,44 % de las fuentes renovables, el agua caliente solar el 0,17 %, el calor geotérmico el 0,12 %, la potencia hidráulica el 3,34 %, el etanol el 0,50 %, el biodiésel el 0,17 %, la electricidad de biomasa el 0,28 %, la energía eólica el 0,51 %, la electricidad geotérmica el 0,07 %, la energía solar fotovoltaica (Photovoltaic, PV) el 0,06 %, la energía solar concentrada (Concentrated Solar Power, CSP) el 0,002 % y la energía oceánica el 0,001 %.
Figura 8.14 Consumo mundial de energía por fuentes; el porcentaje de renovables va en aumento, lo que representa el 19 % en 2012.

Nuestras fuentes de energía no renovables más importantes son los combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas natural. Estas representan alrededor del 81 % del consumo mundial de energía, como se muestra en la figura. La quema de combustibles fósiles crea reacciones químicas que transforman la energía potencial, en las estructuras moleculares de los reactivos, en la energía térmica y en productos. Esta energía térmica se utiliza para la calefacción en los edificios o para hacer funcionar maquinaria de vapor. Los motores de combustión interna y de reacción convierten parte de la energía de los gases en rápida expansión, liberados por la combustión de la gasolina, en trabajo mecánico. La generación de potencia eléctrica se deriva principalmente de la transferencia de energía en el vapor en expansión, a través de turbinas, en trabajo mecánico, que hace rotar bobinas de alambre en campos magnéticos para generar electricidad. La energía nuclear es la otra fuente no renovable que aparece en la Figura 8.14 y suministra aproximadamente el 3 % del consumo mundial. Las reacciones nucleares liberan energía al transformar la energía potencial, en la estructura de los núcleos, en energía térmica, semejante a la liberación de energía en las reacciones químicas. La energía térmica obtenida de las reacciones nucleares puede transferirse y convertirse en otras formas de la misma manera que se utiliza la energía de los combustibles fósiles.

Un desafortunado subproducto de depender de la energía generada a partir de la combustión de combustibles fósiles es la liberación de dióxido de carbono a la atmósfera y su contribución al calentamiento global. La energía nuclear también plantea problemas ambientales, como la seguridad y la eliminación de los residuos nucleares. Además de estas importantes consecuencias, las reservas de fuentes de energía no renovables son limitadas y, dado el rápido ritmo de crecimiento del consumo mundial de energía, puede que no duren más que unos cuantos cientos de años. Se está realizando un esfuerzo considerable para desarrollar y ampliar el uso de las fuentes de energía renovables, en el que participa un porcentaje importante de los físicos e ingenieros del mundo.

Cuatro de las fuentes de energía renovable enumeradas en la Figura 8.14, las que utilizan material vegetal como combustible (calor de biomasa, etanol, biodiésel y electricidad de biomasa), implican los mismos tipos de transformaciones y conversiones energéticas que se acaban de comentar para los combustibles fósiles y nucleares. Los otros grandes tipos de energías renovables son la hidroeléctrica, la eólica, la geotérmica y la solar.

La potencia hidráulica se produce al convertir la energía potencial gravitacional del agua que cae o fluye en energía cinética y luego en trabajo para hacer funcionar generadores eléctricos o maquinaria. La conversión de la energía mecánica de las olas y las mareas de la superficie del océano está en desarrollo. La energía eólica también convierte la energía cinética en trabajo, que puede utilizarse directamente para generar electricidad, hacer funcionar molinos y propulsar veleros.

El interior de la Tierra tiene una gran cantidad de energía térmica, parte de la cual es un remanente de su formación original (energía potencial gravitacional convertida en energía térmica), y la otra parte es liberada por los minerales radioactivos (una forma de energía nuclear natural). Esta energía geotérmica tardará mucho tiempo en salir al espacio, por lo que la gente suele considerarla como una fuente renovable, cuando en realidad, es simplemente inagotable en escalas de tiempo de la humanidad.

La fuente de energía solar es la energía transportada por las ondas electromagnéticas que irradia el Sol. La mayor parte de esta energía es transportada por la luz visible y la radiación infrarroja (calor). Cuando los materiales adecuados absorben las ondas electromagnéticas, la energía radiante se convierte en energía térmica, que se utiliza para calentar el agua, o cuando se concentra, para hacer vapor y generar electricidad (Figura 8.15). Sin embargo, en otro importante proceso físico, conocido como efecto fotoeléctrico, la radiación energética que incide sobre ciertos materiales se convierte directamente en electricidad. Los materiales que hacen esto reciben el nombre de fotovoltaicos (PV en la Figura 8.14). Algunos sistemas de energía solar utilizan lentes o espejos para concentrar los rayos del Sol, antes de convertir su energía a través de fotovoltaicos, y se califican como CSP en la Figura 8.14.

Fotografía de un gran conjunto de celdas solares.
Figura 8.15 Matrices de celdas solares que se encuentran en una zona soleada y que convierten la energía solar en energía eléctrica almacenada (créditos: modificación del trabajo de Sarah Swenty, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de los EE. UU.).

Al terminar este capítulo sobre la energía y el trabajo, es pertinente establecer algunas distinciones entre dos términos a veces malinterpretados en el ámbito del uso de la energía. Como ya hemos mencionado, la "ley de conservación de la energía" es un principio muy útil para analizar los procesos físicos. No se puede demostrar a partir de principios básicos, pero es un dispositivo de contabilidad muy bueno, y nunca se han encontrado excepciones. Afirma que la cantidad total de energía en un sistema aislado siempre permanece constante. Relacionada con este principio, pero notablemente diferente de este, se encuentra la importante filosofía de la conservación de energía. Este concepto tiene que ver con la búsqueda de la disminución de la cantidad de energía utilizada por un individuo o grupo a través de la reducción de las actividades (por ejemplo, al bajar los termostatos, al conducir menos kilómetros) o el aumento de la eficiencia de la conversión en el desempeño de una tarea particular, como el desarrollo y el uso de calentadores de habitación más eficientes, autos que tienen mayores índices de millas por galón, luces fluorescentes compactas de bajo consumo, etc.

Dado que la energía en un sistema aislado no se destruye, ni se crea, ni se genera, cabe preguntarse por qué tenemos que preocuparnos por nuestros recursos energéticos, ya que la energía es una cantidad conservada. El problema es que el resultado final de la mayoría de las transformaciones energéticas es el calor residual, es decir, el trabajo que se ha "degradado" en la transformación energética. Trataremos esta idea con más detalle en los capítulos sobre termodinámica.

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