1
¿A qué se llama materia? Piensa y deduce
a) Si te preguntasen por qué resulta más difícil mover una roca que un ladrillo, ¿cuál de las siguientes respuestas elegirías? Porque la roca es más grande Porque la roca es más pesada Porque la roca, al ser más grande, siempre será más pesada.
?
Piensa por un momento en las cosas materiales que tenemos en casa
La maceta
Piensa por un momento en las cosas materiales que tenemos en casa
Los cuadros La pared
La TV
La planta
La maceta El equipo de mĂşsica El suelo
La papelera
Todos los objetos perceptibles a simple vista son materiales. Las paredes, las casas, los muebles, los seres vivos, las piedras y las rocas, el aire los mares, el Sol, la Luna, los planetas‌ son materia. Pero ¿quÊ se entiende por este concepto?
Recuerda Un cuerpo material es toda forma de materia que tiene límites propios bien definidos, como una roca. Un sistema material es toda forma de materia que carece de morfología propia o cuyos límites son imprecisos, ya sea por su naturaleza o por su extensión. Las nubes constituyen un ejemplo de sistema material.
La forma más apropiada de definir qué es la materia consiste en describir las propiedades que esta presenta:
Tiene dimensiones, es decir, ocupa un lugar en el espacio. Presenta inercia, que se define como la resistencia que opone la materia a modificar su estado de reposo o de movimiento. Dicha inercia es tanto mayor cuanto mayor es la cantidad de materia presente. Así, la inercia de una pelota de ping-pong es muy pequeña, pues cuesta muy poco ponerla en movimiento, mientras que, por el contrario, la inercia de un camión es grande.
Cuanta más inercia tiene un objeto, más esfuerzo cuesta moverlo
La inercia. La inercia de tu cuerpo te desplaza hacia delante cuando hay un choque o un frenazo.
La inercia de tu cuerpo te desplaza hacia delante cuando hay un choque o un frenazo.
Inercia
La inercia de tu cuerpo te desplaza hacia delante cuando hay un choque o un frenazo. Inercia
La inercia. La inercia de la pesada bola empuja a Homer Simpson, al haberse atascado los dedos‌
La materia es la causa de la gravedad o gravitación, que consiste en la atracción que actúa siempre entre objetos materiales aunque estén separados por grandes distancias. La gravedad es la responsable de que los objetos caigan al suelo, de la existencia de las mareas, de que los planetas se muevan en torno al Sol y, en definitiva, de la estructura del universo. Como la masa de la Luna es menor que la de la Tierra, la gravedad allí es menor
La masa como medida de la materia La cantidad de materia presente en un cuerpo se caracteriza mediante la masa.
La masa se relaciona con la cantidad de materia y su valor mide la inercia de un cuerpo as铆 como la acci贸n gravitatoria que este ejerce.
Recuerda La unidad de masa en el sistema internacional es el kilogramo (Kg), que equivale a 1000 gramos.
Los mĂşltiplos y submĂşltiplos del kilogramo son los indicados en la siguiente tabla: Nombre
Abreviatura
Equivalente en kg
Equivalente en g
Tonelada
Tm
1.000 kg
1.000.000 g
kilogramo
kg
1 kg
1.000 g
gramo
g
0'001 kg
1g
decigramo
dg
0'0001 kg
0'1 g
centigramo
cg
0'00001 kg
0'01 g
miligramo
mg
0'000001 kg
0'001 g
La cantidad de materia presente en un cuerpo se caracteriza mediante la masa.
La masa se relaciona con la cantidad de materia y su valor mide la inercia de un cuerpo así como la acción gravitatoria que este ejerce. ¿y qué significa esta definición?
¡es fácil! ¡veámoslo!
La masa como medida de la inercia. Un cuerpo de 10 Kg tiene el doble de inercia que otro de 5 Kg. Es decir, para conseguir que los dos se muevan de la misma forma , serรก preciso ejercer el doble de fuerza en el primero que en el segundo. Por tanto, la masa indica la inercia de un cuerpo. Para mover dos cajas, se necesita el doble de fuerza que para mover una.
La masa como medida de la acción gravitatoria. La masa del planeta Júpiter es unas 310 veces mayor que la del planeta Tierra. Esto quiere decir que si situáramos un objeto a mitad de camino entre ambos planetas, Júpiter lo atraería con una fuerza 310 veces mayor que la Tierra.
Planeta Júpiter Planeta Tierra
Errores frecuentes en relación con el concepto de masa ¿Los cuerpos más grandes tienen siempre más masa?
A veces sí
¡Pero no siempre! ?
Ya sabĂŠis que, a veces, dos objetos de parecido tamaĂąo pueden tener pesos muy diferentes
Este trozo de madera y la esponja tienen exactamente el mismo volumen: 250 cm3 Pero no pesan lo mismo: el trozo de madera pesa más ¿Es posible que un trozo de madera pese lo mismo que uno de esponja?.
Sí, pero no tendrían el mismo tamaño (volumen)
ÂżRecuerdas quĂŠ es la densidad? La densidad de una sustancia es la relaciĂłn que existe entre su masa y el volumen que ocupa densidad =
Densidad del mercurio = 13,6 Kg/L
masa volumen
Densidad del alcohol = 0,8 Kg/L
Densidad del aceite = 0,9 Kg/L
ÂżRecuerdas quĂŠ es la densidad?
Una botella de 1 L, llena de mercurio, pesa en la balanza 13,6 kg
Una botella de 1 L, llena de alcohol, pesa en la balanza 0,8 kg
Una botella de 1 L, llena de aceite, pesa en la balanza 0,9 kg
Densidades de algunas sustancias
Hierro 7,8
Cobre 8,9 g/cm3
g/cm3
Diamante 3,5 g/cm3 Cuarzo 2,6 g/cm3
Plata 10,5 g/cm3
Oro 19,3 g/cm3
Plomo 11,3
g/cm3
Aceite 0,9 g /cm3 Agua 1 g/cm3 Aluminio 2,7 g/cm3
Recuerda Los múltiplos y submúltiplos del m3 y la relación entre las unidades de volumen y capacidad son: Nombre
Abreviatura
Equivalente en m3
Equivalente en l
Hectómetro cúbico
Hm3
10.000 m3
10.000.000 l
metro cúbico
m3
1 m3
1.000 l
Hectolitro
hl
0'1 m3
100 l
decímetro cúbico
dm3
0'001 m3
1l
centímetro cúbico
c.c. o cm3
0'000001 m3
0'001 l
decilitro
dl
0'0001 m3
0'1 l
centilitro
cl
0'00001 m3
0'01 l
mililitro
ml
0'000001 m3
0'001 l
Todas las esferas siguientes tienen la misma masa (1 kg). Escribe debajo de cada uno el material de que podrĂa estar hecho (de entre los siguientes): Corcho blanco, plomo, aluminio, hierro.
PLOMO
HIERRO
ALUMINIO CORCHO BLANCO
dcorcho blanco= 0,11 g/ml dplomo = 11,30 g/ml daluminio = 2,70 g/ml dhierro = 7,87 g/ml
Todos los objetos siguientes tienen el mismo volumen (1dm3) pero estĂĄn hechos de distintos materiales. Escribe debajo de cada uno la masa que podrĂa tener (de entre las siguientes): 1000 g; 8500 g; 250 g ; 11300 g.
1000 g
250 g
dcorcho = 0,11 g/ml dplomo = 11,30 g/ml dcobre = 8,90 g/ml dagua = 1,00 g/ml
11300 g
8500 g
Una medalla de oro tiene una masa de 3 g y una densidad de 19.3 g/cm3. Calcula: El volumen de la medalla. Su densidad en el SI (Kg/m3).
V
m V m
Soluci贸n: 0.155 cm3; 19300 kg/m3. 3g 19,3
g cm3
0.155cm3
1 Kg 1000000 cm3 19,3 3 1 cm 1000 g m3 g
19300
Kg m3
Una esfera de cierto material tiene 4 cm de radio y una masa de 5 g. Calcula su densidad.
V
m V 4 3
Soluci贸n: 0.019 g/cm3. r3
4 3,14 43 3
5g 267,95cm3
0,019
267.95cm3 g
cm3
? ¿Es lo mismo masa que peso?
NO ES LO MISMO La masa de un objeto mide su inercia, mientras que el peso de ese objeto, en la Tierra, es la fuerza con que esta lo atrae hacia sí. Por consiguiente, un objeto en el espacio, en estado de ingravidez, no pesaría, pero su masa y su inercia seguirían siendo idénticas.
No te confundas: MASA y PESO no significan lo mismo. Estos astronautas no pesan nada en “gravedad cero�, pero siguen teniendo una masa (kg) Eric 74 Kg
Michael 82 Kg
David 78 Kg
No te confundas: MASA y PESO no significan lo mismo. El peso es la fuerza que hace que caigan las cosas, debido a la Gravedad. No pesamos lo mismo en la Tierra que en otros planetas.
Tu peso en otros planetas serĂa distinto.
El Sistema Solar: comparación de diámetros Plutón 2.296 Km Neptuno 49.532 Km
En cada planeta, tendrías un peso distinto, pero tu masa sería la misma
Urano 51.118 Km
Júpiter 142.984 Km
Luna 3.476 Km
Mercurio 4.880 Km Venus 12.104 Km Tierra 12.756 Km Marte 6.792 Km
Con anillos 273.600 Km
Saturno 120.536 Km
Mercurio: tu peso aquí sería 0,37 veces tu peso en la Tierra Es el planeta más próximo al Sol. Como no tiene atmósfera, el cielo se ve negro desde este planeta, incluso de día. ¡Qué poco pesamos aquí!
La gravedad es muy baja aquí. ¡Y el sol abrasa!
Venus.-
El segundo planeta. Su atmósfera es muy densa, formada por dióxido de carbono y nubes de ácido sulfúrico. La temperatura superficial es la más elevada de todos los planetas del Sistema Solar. Aquí tu peso sería 0,88 veces tu peso en la Tierra.
La gravedad es algo menor que en la Tierra. ¡No veo el Sol, pero el calor es insoportable!
Júpiter
Tierra 12.756 Km
142.984 Km
De enorme tamaño en comparación con la Tierra, este “gigante gaseoso” está formado por hidrógeno (90%) y helio (casi 10%). Aquí tu peso sería 2,64 veces tu peso en la Tierra.
2
Escalas de observación del mundo material Muchas cosas podemos verlas a simple vista‌
Observando lo invisible Gracias a los microscopios es posible conocer los más pequeños detalles del mundo que nos rodea. El microscopio óptico o de luz tiene dos lentes principales: el objetivo y el ocular.
Lente ocular
Revólver Lente objetivo Pinza Preparación
Luz La imagen se ve muy aumentada
Espejo
La preparación debe ser muy delgada para que la luz pueda atravesarla.
Alga microsc贸pica
Piojo
Ladilla
Pulga
Pulga
La Daphnia o pulga de agua dulce, observada con un microscopio
Bacterias
Todo este diminuto mundo material, invisible a simple vista, constituye lo que se llama escala de observaci贸n microsc贸pica.
Todo aquello que podemos percibir a simple vista constituye la escala de observaci贸n macrosc贸pica.
Recuerda:
Micro = Peque単o
Macro = Grande
Hay cosas materiales tan pequeñas que ni siquiera pueden verse con el microscopio de más aumentos: los átomos. Átomo de Helio (He) Protones Neutrones
Núcleo
Electrones
Pero, si no se pueden ver ni con un microscopio, ¿cómo se sabe que existen?
Por observación indirecta. Gracias a la investigación científica, a experimentos que llevan a Teorías Recuerda: En 1º de E.S.O. vimos la Teoría Cinética de las Partículas
(En 1º de E.S.O. lo vimos)
La teoría cinética de las partículas comprende dos leyes fundamentales: 1. La materia está formada por partículas. 2. Las partículas se hallan en continuo movimiento.
La materia está formada por partículas que se hallan más o menos unidas dependiendo del estado de agregación en que se encuentre.
Sólido
Líquido
Aumento del movimiento de vibración de las partículas
Las partículas se mueven más o menos libremente dependiendo del estado. Cuanto más rápido se mueven, mayor es la temperatura de la sustancia.
Las partículas de permanganato de potasio (KMnO4) se distribuyen por todo el vaso de agua, debido al movimiento browniano.
Gas
Diversidad de tamaños de la materia: los órdenes de magnitud Lo más pequeño y lo mas grande de la Naturaleza es:
- El núcleo de un átomo 0,000 000 000 000 001 m - El Universo 100 000 000 000 000 000 000 000 000 m
¿Quieres saber una manera de no poner tantos ceros?
Potencias de diez positivas Veámoslo paso a paso. Seguro que comprendes que
102 = 10.10 = 100
1.102 = 1.10.10 = 100 ¿Sí? Entonces comprenderás que…
Potencias de diez positivas
3 10
. . 10 10 10
= = 1000 . 3 . . . 1 10 = 1 10 10 10 = 1000 ¿Sí? Entonces comprenderás que…
Potencias de diez positivas
104 = 10.10.10.10 = 10 000 1.104 = 1.10.10.10.10 = 10 000 ¿Sí? Entonces comprenderás más cosas…
Potencias de diez positivas
FĂjate entonces como se puede poner un nĂşmero grande, por ejemplo, 70 000
70 0000 = 7.10.10.10.10.10 = 7.105 Cinco ceros
10 elevado a la quinta potencia
Potencias de diez positivas
¿Cómo pondrías en notación científica o potencia de 10 este número?
800 000 000 000 = 8.1011 11 ceros
8 por 10 elevado a 11
Potencias de diez positivas
¿Y este número?
35 000 = 35.103 = 3,5.104 tres ceros
También suele ponerse así
Potencias de diez positivas
Los científicos piensan que el diámetro del Universo mide 1026 m = 1023 Km
Albert Einstein
Vale, ¿Y cómo se 100 000 000ponen 000 000 000 000 000 Km los números muy pequeños?
Potencias de diez negativas
1 = 0,0001 10.10.10.10 0,0001 = 10-4 AsĂ se expresa
Diez elevado a menos 4
Potencias de diez negativas
5 10.10.10
= 0,005 = 5.10-4 AsĂ serĂa 0,005
Cinco por diez elevado a menos 4
Potencias de diez negativas
0,000000003 = Nueve ceros
. -9 3 10 Tres por diez elevado a menos nueve
FĂjate en esto
Potencias de diez negativas
El nĂşcleo de un ĂĄtomo mide 10-15 m = 10-18 Km Diez elevado a menos 15 m
0,000 000 000 000 001 m
Organización del mundo material en órdenes de magnitud Veamos este ejemplo: Tamaño de la Tierra
Tamaño del Sol
El diámetro del Sol es unas 100 veces mayor que el de la Tierra
DSol = 100 . DTierra = 102 . DTierra “El tamaño del Sol es dos órdenes de magnitud mayor que la Tierra”
Organización del mundo material en órdenes de magnitud La frase
Significa que
A es un orden de magnitud mayor que B
A es 10 veces mayor que B
A es dos órdenes de magnitud mayor que B
A es 100 veces mayor que B
A es tres órdenes de magnitud mayor que B
A es 1000 veces mayor que B
A es cuatro órdenes de magnitud mayor que B
A es ……….. 10000 veces mayor que B
cinco órdenes de magnitud mayor que B A es ………….
A es 100 000 veces mayor que B
seis órdenes de magnitud mayor que B A es ………….
A es ……….. 106 veces mayor que B
siete órdenes de magnitud mayor que B A es ………….
A es ……….. 107 veces mayor que B
ocho órdenes de magnitud mayor que B A es ………….
A es ……….. 108 veces mayor que B
nueve órdenes de magnitud mayor que B A es ………….
109 veces mayor que B A es ………..
diez órdenes de magnitud mayor que B A es ………….
1010 veces mayor que B A es ………..
once órdenes de magnitud mayor que B A es ………….
1011 veces mayor que B A es ………..
Un cuerpo o sistema material es tantos órdenes de magnitud mayor que otro como indica el exponente de la potencia de diez que resulta de dividir sus respectivos tamaños.
La notación científica consiste en escribir las cantidades con una cifra entera seguida o no de decimales y la potencia de diez adecuada: A‚B 10c. LA NOTACIÓN CIENTÍFICA Y LA CALCULADORA Uso de la tecla exponencial (EXP). La tecla EXP significa «10 elevado a». Para hacer 5 · 103
5
EXP
3
=
Para hacer 9 · 10-4
9
EXP
4
_
=
Un factor de conversión es una fracción que tiene en su numerador y en su denominador la misma cantidad, pero expresada en distintas unidades.
El radio de un átomo es 0,85 nm. Exprésalo en m: Anota la cantidad que quieres cambiar de unidad.
0,85 nm
Escribe a su lado una fracción que contenga esta unidad (nm) y la unidad en la que la quieres convertir (m). Escríbela de manera que se simplifique la unidad de partida (nm).
0,85 nm ·
Al lado de cada una de estas unidades añade la equivalencia con la otra. Recuerda la tabla de prefijos y sufijos.
Simplifica la unidad inicial y expresa el resultado final.
0,85 nm ·
0,85 nm ·
m nm 10-9 m 1 nm 10-9 m
1 nm
= 0,85 · 10-9 m
Sistema Internacional de Unidades
Utilizando la notaci贸n cient铆fica realiza los siguientes cambios o conversiones de unidades
3
Transformaciones en el mundo material: la energĂa
Piensa y deduce Agua líquida
Hielo
237 g Hielo
237 g
237 g Tapadera
48 g Agua líquida
237 g
237 g
Ha habido una transformaci贸n de la materia: lo que antes era hielo ahora no lo es. Hielo
237 g
Tapadera
Agua l铆quida
237 g
La transformaci贸n de la materia ha sido posible gracias a la participaci贸n de un agente f铆sico: el calor transferido desde el ambiente a mayor temperatura.
C a l o r Tapadera
Hielo
237 g
C a l o r C a l o r
Agua l铆quida
237 g
Aire (mayor temperatura)
El hielo y el aire interaccionan
Para que un cuerpo o sistema material sufra transformaciones tiene que interaccionar (*) con otro. El calor transferido entre dos cuerpos o sistemas materiales a distinta temperatura es un agente físico capaz de producir transformaciones en la materia.
(*) Interacción: acción o influencia recíproca entre dos o más sistemas
Piensa y deduce Se pueden fundir dos bloques de hielo haciendo un movimiento continuado de fricción de uno sobre otro, incluso cuando el ambiente exterior y los materiales en contacto con el hielo estuvieran a una temperatura inferior a cero grados centígrados.
a) ¿Qué agente físico ha hecho posible la transformación del hielo? b) ¿Se habría fundido el hielo sin el movimiento?
El agente físico que ha hecho posible la transformación del hielo en agua líquida se llama TRABAJO
TRABAJO
Se realiza trabajo sobre un cuerpo cuando este se desplaza bajo la acción de una fuerza que actúa total o parcialmente en la dirección del movimiento.
S铆 se realiza un trabajo
No se realiza un trabajo (no hay movimiento)
TRABAJO
Se realiza trabajo sobre un cuerpo cuando este se desplaza bajo la acci贸n de una fuerza que act煤a total o parcialmente en la direcci贸n del movimiento. 11
El calor y el trabajo son los agentes físicos que producen transformaciones en la materia.
El trabajo realizado por el leñador ha contribuido a la transformación del tronco del árbol en tablas y tablones.
¿Qué entendemos por “transformación” en un sistema material? Una transformación es cualquier cambio de las propiedades iniciales de un cuerpo o sistema material. Este cambio puede ser:
Un cambio de posición. Un aumento o una disminución de la temperatura. Una deformación o cambio de forma. Un cambio de volumen
La energía como propiedad …….. de los sistemas materiales.
Experimenta
En un vaso de café caliente introduce unos cubitos de hielo. Piensa sólo en el café y el hielo (no tengas en cuenta el aire).
a) ¿Qué le ocurre al hielo? ¿Y al café?. b) ¿Sería posible que tanto el café como el hielo aumentaran su temperatura al entrar en contacto? ¿Por qué?.
El café “pierde calor” y el hielo “gana” hasta fundirse y transformarse en agua líquida. Al final acaban igualando sus temperaturas
Uno “gana” y otro “pierde”
¿Qué crees que ocurre cuando mezclamos agua caliente y agua fría?
La caliente pierde calor La fría gana calor Al final acaban igualando sus temperaturas
Uno “gana” y otro “pierde”
Piensa y deduce Este coche de juguete tiene un resorte que hace posible su desplazamiento. Primero lo empujamos hacia atrรกs
Al soltarlo avanza solo
Piensa y deduce Las ruedas traseras van unidas a un resorte metálico en espiral que se arrolla a medida que el coche se mueve hacia atrás.
a) ¿Si el resorte no se hubiera tensado, se habría puesto en movimiento el coche? b) ¿Por qué se mueve el coche al soltarlo? c) ¿Qué ocurre con el resorte cuando el coche ya está en movimiento?
Las ruedas traseras van unidas a un resorte metálico en espiral que se arrolla a medida que el coche se mueve hacia atrás.
El coche “gana movimiento” a medida que el resorte “pierde tensión” Uno “gana” y otro “pierde”
Uno “gana” y otro “pierde”
Hay una palabra que explica esto:
El resorte pierde energía y la transfiere al coche, que gana energía. En conjunto, la energía total sigue siendo la misma.
El café pierde energía y la transfiere al hielo, que gana energía. En conjunto, la energía total sigue siendo la misma.
Mire, jefe: yo sigo siendo el mismo a pesar de mis disfraces ¡Como la energía! La ENERGÍA también puede “disfrazarse” de muchas formas, pero permanece invariable
Uno “gana” y otro “pierde”
El resorte tensado tiene la capacidad de realizar un trabajo. A medida que se realiza el trabajo, la tensión del resorte disminuye y, con ella, la capacidad de seguir realizando un trabajo.
El café tiene la capacidad de transferir calor al hielo. A medida que el café transfiere calor, su temperatura disminuye y, con ella, su propia capacidad para transferir calor.
Ya sabes que unas pilas nuevas tienen energía. Esta energía puede realizar un trabajo: por ejemplo hacer que el conejito ande y toque el tambor. A medida que las pilas transfieren su energía, van perdiendo su capacidad para hacer un trabajo. Ya sabes que la electricidad puede calentar muchos de los electrodomésticos que tenemos en casa.
La energĂa es la capacidad que tienen los cuerpos o sistemas materiales de transferir calor o de realizar un trabajo, de modo que, a medida que un cuerpo o sistema transfiere calor o realiza un trabajo, su energĂa disminuye.
La energía se mide en una unidad del Sistema Internacional (SI) llamada julio (J). ¡Pero si no estamos hablando de meses!
También el calor y el trabajo se miden en julios (J) ¿Y no puede medirse en otro mes?
4
Las variaciones de energĂa en los sistemas materiales
Las transformaciones que suceden en los sistemas materiales pueden describirse mediante los cambios que se producen en la energĂa de dichos sistemas.
Veamos quĂŠ significa esto con un ejemplo
Piensa y deduce ¿Sabrías explicar cómo funciona este “encendedor Bola a cierta altura mecánico de cerillas”? Plano inclinado
Rueda o molinillo
Aspas
Lija
Cerilla
Piensa y deduce ÂżPodrĂa encenderse la cerilla sin el movimiento de la rueda?
Piensa y deduce ¿Podría moverse la rueda si la bola permaneciera inmóvil?
Piensa y deduce ÂżPodrĂa empezar a moverse la bola si no estuviera a cierta altura del suelo?
Piensa y deduce ÂżQuĂŠ es, en definitiva, lo que provoca que la cerilla pueda encenderse?
La causa Ăşltima de que la cerilla encienda es que la bola estaba a cierta altura del suelo
Las transformaciones que suceden en los sistemas materiales pueden describirse mediante los cambios que se producen en la energĂa de dichos sistemas.
la bola estรก en alto porque la bola se mueve porque
La cerilla ha encendido
las aspas se mueven porque
porque
su cabeza roza con la lija
Unas formas de energía se van transformando en otras
1 2
3
Energía cinética: la bola se mueve
6
Energía cinética: las aspas se mueven
Energía térmica por el rozamiento
E. térmica
bola a cierta altura
5
Energía química
Energía potencial:
4
La energía “se disfraza”
Unas formas de energía se van transformando en otras
Energía potencial: es la que tienen los cuerpos cuando están en una posición distinta a la del equilibrio. Energía cinética: es la que tienen los cuerpos por el hecho de moverse a cierta velocidad. Energía térmica: es la que tienen los cuerpos en función de su temperatura. Energía química: es la que se desprende o absorbe en las reacciones química.
La Ley de Conservación de la Energía: La energía se conserva siempre.
Esta aseveración indica que la cantidad total de energía que hay en el Universo se mantiene constante. La energía no se crea ni se destruye; solamente cambia de forma.
Formulada por Von Mayer (1814-1878)
es decir
No se crea ni se destruye energía durante los procesos químicos
En las diferentes transformaciones energéticas, una parte de la energía se transfiere en forma de calor con el entorno, de manera que esta no se puede aprovechar en nuevas transformaciones. Así se introduce el concepto de rendimiento energético.
R
Energía _ obtenida 100 Energía _ aportada
Una bombilla nos alumbra, nos da luz gracias a la energía eléctrica, pero esa misma bombilla se caliente mucho y ese calor no se puede aprovechar. Por ello es imprescindible ahorrar energía.
5
Fuentes de energía aprovechable
Fuentes de energía no renovables Combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) Energía nuclear
Fuentes de energía renovables Energía geotérmica Energía hidráulica Energía solar Energía eólica Energía maremotriz Energía de la biomasa
Incluyen a todas aquellas sustancias que proporcionan energía. Pueden ser convencionales, si se conocen desde hace tiempo y se obtienen de manera sencilla (carbón, petróleo, gas, energía hidroeléctrica y energía nuclear) y alternativas, que incluyen a todas aquellas que además de ser limpias y respetuosas con el medio, constituyen una alternativa para resolver el agotamiento de las fuentes de energía convencionales (solar, eólica, geotérmica, biomasa y mareomotriz). Además también podemos clasificar a los recursos energéticos en renovables, si su tasa de renovación está dentro de los límites de la vida humana y tienen su origen en los procesos naturales, tales como el movimiento de las masas de aire, la radiación solar, las corrientes de agua y la actividad fotosintética de los vegetales, etc.. y no renovables, cuando constituyen recursos energéticos limitados generadas por largos procesos geológicos a lo largo de la historia de la Tierra. Independientemente del tipo de energía desde que se obtiene hasta que llega al consumidor, pasa por una serie de etapas que incluyen la transformación, el transporte y el consumo final.
Carbón Combustibles Fósiles
Petróleo Gas Natural
I. Fuentes No Renovables (agotables) Combustibles Nucleares
Energía Nuclear
• Energía Hidráulica • Energía Solar • Energía Eólica II. Fuentes Renovables (inagotables)
• Energía Térmica • Energía de la Biomasa • Energía maremotriz
Fisión
Fusión
Fuentes de energía no renovables Energías no renovables
Combustibles Fósiles
Energía nuclear
Bajo este término se agrupan a los depósitos geológicos de materiales orgánicos combustibles que se encuentran enterrados y que se formaron por la descomposición de plantas o animales. Incluyen al petróleo, carbón y gas natural.
Incluye a la energía obtenida por procesos de fisión (rotura de núcleos atómicos) en las centrales nucleares. El combustible utilizado habitualmente es uranio, que debe ser previamente enriquecido.
Son fáciles de extraer y tienen un elevado poder calorífico, sin embargo terminaran por agotarse y contaminan el medio ambiente en sus diferentes procesos de transformación.
MINA ENMA de CARBÓN (Puertollano)
Aunque es una energía limpia, que reduce la dependencia de otros combustibles fósiles, requiere un tratamiento especial de los residuos en centros de seguridad y puede producir importantes lesiones en los seres vivos.
CENTRAL NUCLEAR de TRILLO (Guadalajara)
Energía de los combustibles fósiles
El Carbón: • Combustible fósil, de alto poder calórico. • Sustancia de origen vegetal, procedente de la transformación de vegetales que vivieron durante el periodo carbonífero (hace 280 a 385 millones de años) • La forma de energía que poseen los combustibles fósiles es energía interna, que podemos aprovechar a partir de las reacciones de combustión. INCONVENIENTE DE LA COMBUSTION DEL CARBÓN
Combustible sucio
SO2 (Dióxido de azufre)
causante
CO2 (Dióxido de carbono)
causante
Lluvia acida Efecto Invernadero
El Petróleo: • Combustible liquido de color negro oscuro mas ligero que el agua. • Compuesto químico complejo en el que coexiste partes solidas, liquidas y gaseosas. • formado por : •Una mezcla de hidrocarburos •Una pequeña proporción de N, S, O2 y algunos metales INCONVENIENTE DE LA COMBUSTION DEL CARBÓN • Agotamiento rápido de las reservas • Responsables de mayor aumento de CO2 y de SO2 en la atmosfera.
Gas Natural: • Procede de la fermentación de la materia orgánica acumulado entre los sedimentos. • Esta compuesto por una mezcla de Hidrogeno, metano, butano, propano y otros gases en proporciones variables. • Se encuentra en la naturaleza formando bolsas en el interior de la tierra unas veces sólo y otras en compañía de petróleo, GAS NATURAL Yacimiento gasífero C4H10 BUTANO
C3H8 PROPANO
CENTRAL TERMOELECTRICA Estas centrales, la energía mecánica, necesaria para mover las turbinas que están conectadas al rotor del generador, proviene de la energía térmica (debida al movimiento de moléculas) contenida en el vapor de agua a presión, resultado del calentamiento del agua en una gran caldera. El combustible que se utiliza para producir vapor de agua determina el tipo de central térmica: de petróleo (fuel), de gas natural o de carbón
CO2 Contaminación atmosférica
Central térmica
Generador Vapor
Caldera
Agua líquida Combustible
Combustión
Turbina
Oxígeno
Energía por combustibles fósiles
ENERGÍA DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES VENTAJAS o
o
o
DESVENTAJAS
Facilidad de extracción
o
Tecnología bien desarrollada
o
Transporte caro
o
Difícil almacenamiento
Además de fuente de energía, en los procesos de separación, se proporcionan materias primas para la industria química, medicina, alimentación,...
o
Se estima que, las reservas se agotarán en dentro de 100 años.
Provoca graves problemas ambientales: efecto invernadero, lluvia ácida...
Energía nuclear
ENERGÍA NUCLEAR • Es la energía que se desprende los núcleos de los átomos cuando se produce una reacción nuclear. • La liberación de energía nuclear se puede realizar mediante dos procesos: • La Fisión nuclear • La Fusión nuclear
FISION NUCLEAR: • Ruptura del núcleo de un átomo mediante bombardeo de partículas (protones y neutrones) • Para producir una fisión se necesita átomos muy pesados y grandes como el Uranio. • Se libera gran cantidad de energía en forma de calor y radiaciones, ya que una pequeña parte de la masa se transforma en energía.
Elemento Combustible
U 235
URANIO Oxido de Uranio (UO2)
Enriquecimiento de 235U hasta 4%
FUSION NUCLEAR: • Es la unión de varios átomos ligeros para formar otros átomos mas pesados. Como el átomo de hidrogeno, muy abundante en la naturaleza. • Este fenómeno esta acompañado de la liberación de gran cantidad de energía en forma de calor y radiación.
ENERGÍA NUCLEAR DE FISIÓN VENTAJAS •
•
•
Grandes reservas de uranio
Tecnología bien desarrollada Gran productividad. Con pequeñas cantidades de se obtiene gran cantidad de energía.
INCONVENIENTES •
•
•
Alto riesgo de contaminación en caso de accidente
Producción de residuos radiactivos peligrosos a corto y largo plazo Alto coste de las instalaciones y mantenimiento de las mismas
IMPACTOS AMBIENTALES ENERGÍA NUCLEAR
SOBRE EL CLIMA
SOBRE EL SUELO
SOBRE EL AGUA
Se produce
Se produce
Cambio Climático
Debido a
Efecto invernadero
Destrucción del suelo fértil
Debido a
Debido a
CO2 Obtención de combustible nuclear
Explotación a cielo abierto
Destrucción del espacio natural
Se produce
Alteración de ecosistemas de ríos, mares y lagos
Contaminación de ríos, mares y lagos
Construcción de la central
Producido por
Producido por
Obtención del combustible nuclear
Contaminación térmica al ser utilizados para la refrigeración de la central Los sistemas de lavado de materiales usados en la minería
Fuentes de energía renovables Solar: Este tipo de energía tiene su origen en el aprovechamiento de la radiación solar que llega a la superficie terrestre. Puede ser térmica, cuando la luz se utiliza para calentar fluidos o fotovoltaica, si se capta por medio de paneles solares hechos con materiales semiconductores Eólica: Utiliza la fuerza del viento para producir energía en los aerogeneradores, que están formados por tres palas unidas a un punto llamado buje, que a su vez que mueve unos engranajes donde la energía mecánica se transforma en eléctrica. Se trata de una energía discontinua que produce bastante ruido y puede afectar a las rutas migratorias de las aves.
Energías renovables
Biomasa: Se trata un tipo de energía renovable que aprovecha la materia orgánica formada en algún proceso biológico (desechos agrícolas, excrementos, maderas, residuos, basuras) El aprovechamiento de la energía de la biomasa se hace directamente por combustión, o por transformación un combustible, el biogás. Geotérmica: Aprovecha el calor interno generado en la Tierra, ya sea ligado a procesos volcánicos o el calor residual (energía geotérmica de baja entalpía). Dicho calor es utilizado y transformado en electricidad en las plantas geotérmicas.
Maremotriz: Se trata de un tipo de energía que aprovecha la diferencia de altura entre la pleamar y bajamar, para hacer girar unas turbinas y generar electricidad. Hidráulica: Se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento turbinas y la transformación de energía mecánica en eléctrica. Se trata de una energía de bajo coste y renovable, sin embargo, los embalses pueden modificar el caudal de los ríos, los procesos erosivos aguas abajo y alterar las rutas migratorias de ciertas especies de peces (lamprea, anguila, salmón).
Ventajas Potencial reducción del consumo de combustibles fósiles importados. Aprovechamiento de un recurso que se restablece rápidamente No es contaminante / disminución impactos al ambiente, que resultan de las actividades de generación de energía con combustibles fósiles, Oportunidad de acceso a la energía eléctrica en lugares remotos, Garantizan la seguridad energética en el país, Favorecen el desarrollo económico y social de los países Mejoramiento de la calidad de vida de las personas
Inconvenientes Altas inversiones iniciales (son caras y tardan en amortizarse) Algunas de ellas no se pueden almacenar y deben ser consumidas en el mismo momento en el que se producen (eólica). Existen importantes fluctuaciones en la producción de energía en función de la disponibilidad del recurso.
Energía hidráulica
La energía hidráulica se basa en el aprovechamiento de la energía potencial del agua embalsada y su transformación en energía eléctrica mediante una turbina con un alternador acoplado. El término minihidráulica se aplica a la energía obtenida en las instalaciones que se han construido directamente en los saltos de agua naturales, o bien en embalses de pequeño tamaño.
E. potencial
Presa
Tuberías forzadas
E. mecánica
E. cinética
Turbina
E. eléctrica
Alternadores
Central hidroeléctrica
Presa
Generador
Embalse o pantano: el agua acumulada a cierta altura tiene Energía Potencial
Turbina Entrada del agua Salida
Energía hidráulica
Esquema de funcionamiento de una central hidroeléctrica
Centrales españolas mayores de 20 MW. Se indica el nombre de las 10 centrales mayores de 300 MW.
Energía Hidráulica o hidroeléctrica VENTAJAS
Es una energía limpia Su transformación es directa No contaminante Es renovable
INCONVENIENTES
• • • •
Imprevisibilidad de las precipitaciones Capacidad limitada de los embalses Impacto medioambiental en los ecosistemas Riesgos debidos a la posible ruptura de la presa
Energía solar La energía solar, es la que proviene del sol y se transfiere a la superficie terrestre pudiendo ser aprovechada en aplicaciones térmicas (para producir calor) y fotovoltaicas (para generar electricidad) Puede explotarse de tres formas básicas: Solar térmica: La radiación solar se capta por medio de unos colectores por los que circula agua en un circuito cerrado. Mediante un intercambiador de calor, el agua puede, a su vez, calentar un fluido que almacena el calor sobrante en un acumulador para cubrir la demanda en horas de baja radiación.
Solar fotovoltaica: A través de unas placas fotovoltaicas compuestas por silicio, la energía solar se convierte en electricidad gracias a la energía que proporciona el movimiento de los electrones liberados en la placa.
Chimeneas Solares: La radiación solar se capta por medio de unos paneles invernadero que calientan el aire, el cual asciende por una chimenea central, generándose una corriente continúa que mueve unas turbinas donde se obtiene la electricidad
ENERGÍA SOLAR VENTAJAS
• Limpia • Sencillez de los principios aplicados • Conversión directa • Empieza a ser competitiva • Ideal para lugares alejados de la Red Eléctrica Comercial • No Requieren Combustible • Mínimo Mantenimiento • Sistemas Modulares • Larga vida útil • Sistemas Silenciosos • No Contaminan • Fácil Transporte e Instalación
INCONVENIENTES
• Grandes variaciones en el tiempo de irradiación. • Es aprovechable sólo en algunas partes del planeta. • Necesidad de grandes superficies de captación para su aprovechamiento a gran escala • Dificultad de almacenamiento • Alto costo inicial • Capacidad reducida • Requiere de un programa de recuperación y manejo de las baterías y placas usadas
Energía maremotriz La energía maremotriz es la que se obtiene aprovechando las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares según la posición relativa de la Tierra y la Luna. Mediante su acoplamiento a un alternador se puede utilizar el sistema para la generación de electricidad, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica, una forma energética más útil y aprovechable
Marea alta
Central maremotriz Generador
Marea baja
EnergĂa maremotriz
Turbina
ENERGÍA MAREMOTRIZ VENTAJAS
• • • • • •
Auto renovable No contaminante Silenciosa Bajo costo de materia prima No concentra población Disponible en cualquier clima y época del año
INCONVENIENTES
• Impacto visual y estructural sobre el paisaje costero • Localización puntual • Dependiente de la amplitud de mareas • Traslado de energía muy costoso • Efecto negativo sobre la flora y la fauna • Limitada
Energía eólica
La energía eólica es la forma de energía que posee es la energía cinética del viento, esta energía es captada por las aspas de los aerogeneradores para hacer girar al alternador que producirá energía eléctrica
Aerogenerador
Aspa
Energía Eólica VENTAJAS • • • •
Limpia Conversión directa Empieza a ser competitiva Se reduce la dependencia de combustibles fósiles y los niveles de emisiones contaminantes, asociados a su consumo • Las tecnologías de la energía eólica se encuentran desarrolladas para competir con otras fuentes energéticas. • El tiempo de construcción es menor con respecto a otras opciones energéticas.
INCONVENIENTES • • • • •
Intermitencia de los vientos Dispersión geográfica Generación de interferencias Dificultad de almacenamiento Dificultan el libre tránsito de las aves. • Generan un elevado impacto visual. • Modifican el microclima de la zona (al ocasionar perturbaciones en los vientos). • Emiten gran cantidad de ruido.
Energía geotérmica
La energía geotérmica es aquella que puede obtenerse mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. El calor del interior de la Tierra se debe a varios factores, entre los que caben destacar el gradiente geotérmico, el calor radiogénico, etc. El funcionamiento de una central geotérmica es bastante simple: consta de una perforación practicada a gran profundidad sobre la corteza terrestre (unos 5 km), con objeto de obtener una temperatura mínima de 150º C, y en la cual se han introducido dos tubos en circuito cerrado en contacto directo con la fuente de calor. Desde la superficie se inyecta agua fría a través de uno de los extremos del tubo, la cual se calienta al llegar al fondo formando vapor de agua y regresando a chorro a la superficie a través del otro tubo. En el extremo de éste está acoplada una turbina-generador que suministra la energía eléctrica para su distribución. El agua enfriada es devuelta de nuevo al interior por el primer tubo para repetir el ciclo.
ENERGÍA GEOTÉRMICA
VENTAJAS
DESVENTAJAS
• Es una fuente que evitaría la dependencia energética del exterior. • Los residuos que produce son mínimos . • Sistema de gran ahorro, tanto económico como energético • Ausencia de ruidos exteriores • No está sujeta a precios internacionales, sino que siempre puede mantenerse a precios nacionales o locales. • El área de terreno requerido por las plantas geotérmicas por megavatio es menor que otro tipo de plantas. No requiere construcción de represas, tala de bosques, ni construcción de tanques de almacenamiento de combustibles. • La emisión de CO2, con aumento de efecto invernadero, es inferior al que se emitiría para obtener la misma energía por combustión.
• Puede producir contaminación térmica. • Deterioro del paisaje. • No se puede transportar • No está disponible más que en determinados lugares.
Energía de la biomasa
Se denomina biomasa cualquier tipo de materia orgánica cuyo origen sea el resultado de un proceso biológico. Este tipo de energía es quizás el más antiguo de los utilizados por el ser humano y se está potenciando en los últimos años debido a que se trata de una fuente inagotable de energía. Los tipos de biomasa más importantes son: Biomasa natural. Es la producida en la naturaleza (leña). Biomasa residual seca. Procedente de las actividades agrícolas (la cáscara de almendra, hueso de la aceituna o la paja). Biomasa residual húmeda. Tiene su origen en las actividades ganaderas (purines2). Biomasa agroenergética. Se basa en la producción de cultivos energéticos (girasol, colza, etc.) con objeto de obtener biocombustibles. La principal aplicación de este tipo de recursos es la generación de energía térmica por combustión, que es transformada en energía mecánica para su utilización directa o para su transformación en energía eléctrica.
Energías renovables
El bioetanol, es el alcohol etílico producido a partir de la fermentación de los azúcares vegetales. Se utiliza para la fabricación de ETBE (etil terbutil éter), un sustituto del plomo como antidetonante de la gasolina, aunque su principal uso es como combustible mezclándolo con gasolina en diferentes proporciones
El biodiesel es un aceite obtenido a partir de semillas de oleaginosas (cardo, girasol, colza…) que se utilizan principalmente como carburante de automoción.
ENERGÍA DE LA BIOMASA VENTAJAS
INCONVENIENTES
o
Favorece el reciclaje de residuos urbanos
o
o
Contribuye a una mejor limpieza de los bosques y como consecuencia previene incendios forestales
Necesidad de grandes superficies de cultivo
o
Tecnología en desarrollo
o
El rendimiento de las calderas de biomasa es inferior al de las que usan combustible fósil.
o
Se necesita mayor cantidad de biomasa para conseguir la misma cantidad de energía con otras fuentes.
o
Los canales de distribución de biomasa están menos desarrollados que los de combustibles fósiles.
o
o
Tiene contenidos de azufre prácticamente nulos por lo que la emisión de dióxido de azufre es mínima. El dióxido de azufre, junto con los óxidos de nitrógeno, son causas de la lluvia ácida. El uso de la biomasa como biocarburante en motores de combustión interna reduce el empleo de los motores alimentados por combustibles fósiles que provocan altos índices de contaminación.
6
El problema energético y la necesidad de ahorro
LLUVIA ÁCIDA ¿En qué consiste?
Se considera lluvia ácida cualquier tipo de precipitación especialmente líquida, con pH < 5, aunque también la deposición puede ser en forma de nieve o como sublimado seco. •
Se forma como producto secundario de interacciones atmosféricas en las que los óxidos de nitrógeno y azufre reaccionan con el radical oxidrilo (procedente de la fotodisociación del agua), dando lugar a ácidos nítrico y sulfúrico.
H20
¿Cómo se forma?
•
OH
NO2
OH
SO2
2OH
H HNO3 H 2 SO4
Ambos ácidos son fácilmente solubles en agua, de modo que caen con la lluvia a la tierra, y disminuyen su pH.
La lluvia ácida puede ser transportada grandes distancias por los vientos, convirtiéndose en un impacto regional o global.
¿Cuáles son causas? • La quema de carbón en las centrales térmicas emite SO2. La cantidad emitida de este gas será mayor cuanto peor sea la calidad del carbón. • La combustión de gasolinas y gasóleos, por parte de los automóviles, en especial el gasóleo, que emite SO2. • Determinadas industrias como la siderurgia emite a la atmósfera SO2. • La quema de bosques tropicales que también contribuye al aumento de los NOx. • El uso de fertilizantes y abonos, y la actividad bacteriana emiten algunos NOx.
¿Cómo se puede disminuir el problema?
¿Cuáles son sus principales efectos? • La acidificación de lagos. Un pH <4 es letal para los salmónidos y con pH<3 solo sobreviven algunas especies de plantas e invertebrados. • La acidificación y pérdida de suelos. Disminuyen su rendimiento agrícola y se vuelven más improductivos. • La contaminación del agua y ecosistemas acuáticos. La lluvia ácida moviliza algunos metales tóxicos altamente contaminantes como el Cd, Ni, Pb y Hg. Estos metales contaminan el agua y pueden incorporase a las redes tróficas produciendo la muerte de organismos superiores y la aparición de enfermedades y malformaciones. • La destrucción de bosques: La lluvia ácida quema la corteza y hojas de los árboles, provocando la caída prematura de éstas y en casos extremos la muerte. • La destrucción de materiales pétreos y obras de arte (mal de la piedra), es otro de los importantes efectos producidos por la lluvia ácida. La mayor parte de las piedras dañadas son calizas o areniscas con cemento calcáreo que se transforman en yeso. • Reducir y eliminar la cantidad de contaminantes, sobre todo de SO2 y NOx vertidos a la atmósfera; utilizando filtros de absorción de gases en las centrales térmicas y disminuyendo la quema de vegetación. • Utilizar combustibles fósiles menos contaminantes, por ejemplo gas natural frente al carbón. • Utilizar gasóleos bajos en azufre o biocombustibles obtenidos a partir de vegetales (por ejemplo semillas de oleaginosas). • Para prevenir el mal de la piedra se están utilizando métodos tanto mecánicos como químicos. Se emplean así agentes de lavado (ácidos o básicos) y procesos de consolidación de la piedra con Ba(OH)2
EFECTO INVERNADERO y CAMBIO CLIMÁTICO
¿En que consiste el efecto invernadero natural?
¿En que consiste el incremento del efecto invernadero natural? Efecto Invernadero Antropogénico
• Consiste en el calentamiento de la atmósfera inferior debido a la presencia en ella de determinados gases, llamados invernadero (CO2, CH4, N2O Y H2O(g)), que absorben parte de la radiación que emite la Tierra hacia el espacio y la devuelve a la superficie terrestre.
• Este fenómeno mantiene la temperatura media de la superficie terrestre en unos 33ºC, evitando que el planeta se congele por la excesiva pérdida de calor y permitiendo la vida sobre el planeta. • Es un incremento de la temperatura media de la superficie terrestre (0,6ºC en los últimos 100 años y entre 1,5 y 4,5ºC para el año 2060), como consecuencia del aumento en la atmósfera de gases invernadero (CO2, CH4, CFCs, O3 y N2O) • El gas que más que contribuye al efecto invernadero es el CO2, cuyas fuentes son la deforestación, los combustibles fósiles y la industrialización
El Incremento del Efecto Invernadero, es el responsable del CAMBIO CLIMÁTICO GLOBAL, y sus principales consecuencias son:
• Desplazamiento de las actuales zonas desérticas hacia latitudes más altas convirtiéndose en los llamados desiertos invernaderos. • Este desplazamiento afectaría de lleno a los países del área mediterránea que pasarían a tener climas áridos (con sequías prolongadas y esporádicos diluvios). Al tiempo Centroeuropa pasaría a disfrutar de un clima mediterráneo. • En resumen se produciría un incremento del riesgo de desertificación en gran parte del mundo
• Incremento en el nivel del mar: Cuantificado en unos 60 cm para finales del siglo XXI. (debida a la fusión del hielo polar y expansión térmica del agua) • Consecuencias subida nivel del mar: deshielo y retroceso de los glaciares, la salinización de acuíferos costeros, erosión de playas, la inundación de zonas costeras y el desplazamiento de población hacia zonas de interior. • Los cálculos más optimistas han supuesto que quedarían sumergidos unos 400.000 Km2 de costas en todo el mundo. Los países industrializados, entre los que se encuentran los Países Bajos, podrían hacer frente a esta subida con la construcción de nuevos polders, sin embargo los países en vías de desarrollo quedarían anegados al no disponer de recursos económicos suficientes..
• Cambios en la agricultura, que debería adaptarse a los cambios térmicos y a diferentes cambios relacionados con las distintas tasas de erosión del suelo. Paralelamente las plagas de insectos también se desplazarían hacia el N y S, afectando a zonas en las que actualmente no existen. • Incremento en el número de inundaciones y desastres naturales, ya que al aumentar la temperatura media de la tierra, aumentará la evaporación y por tanto la nubosidad, lo que traerá más lluvia a determinadas zonas del planeta. Se prevén grandes daños económicos por este tipo de desastres, una estimación apunta a unos 100.000 millones de dólares de pérdidas económicas a nivel mundial en los próximos años. • Disminución en los recursos pesqueros, ya que las capas oceánicas superficiales perderán la mayor parte del dióxido de carbono disuelto al aumentar la temperatura. Esto limitará la producción primaria en los océanos, con la consiguiente disminución en el fitoplancton, zooplancton y resto de niveles tróficos oceánicos. • Afección a los ecosistemas, muchas plantas desaparecerían al no resistir el incremento de temperatura. Lo mismo ocurriría con muchas especies animales, ya que no se podrían adaptar a un incremento tan brusco de temperatura en tan solo 100 años. (actualmente ya se esta produciendo el blanqueamiento del coral, un simple aumento de 0,5ºC produce las muerte de los pólipos ) • Desplazamiento de enfermedades, como consecuencia del cambio climático muchas enfermedades, tales como la malaria, el tifus, el cólera o la disentería, relacionadas todas ellas con la ausencia de agua potable y que en la actualidad afectan a países africanos se desplazarían hacia el norte, hacia países en los que en la actualidad están erradicadas. Junto con lo anterior también se acrecentarían los problemas de hambruna en África, Sudeste asiático y otros países subdesarrollados.
• La principal medida para frenar el calentamiento global es disminuir las emisiones de gases invernadero. Los objetivos prioritarios pasan por la reducción de CO2, CH4 Y N2O.
¿Qué medidas pueden aplicarse para reducir el efecto invernadero y el cambio climático?
• Junto con lo anterior sería también necesario la aplicación de políticas de desarrollo sostenible que consigan reducir estas emisiones, entre ellas: – Fomentar la eficiencia energética (mediante sistemas que permitan aumentar el rendimiento energético, o simplemente ahorrando energía en nuestras viviendas o centros de trabajo). – Fomentar reformas que limiten las emisiones generadas en el sector transporte (potenciar el transporte urbano frente al particular, o bien utilizar formas de energía menos contaminantes, por ejemplo, en el transporte urbano el gas, el hidrógeno o la electricidad). – Fomentar la reducción de metano mediante la recuperación de residuos. – Promocionar modalidades agrícolas sostenibles que terminen con la deforestación y la emisión de CH4 a la atmósfera. – Promover el uso de energías renovables y tecnologías que secuestren el dióxido de carbono atmosférico.
El ahorro energético ANTE EL CAMBIO CLIMÁTICO
Ahorrar
energía es el camino más eficaz para reducir las emisiones contaminantes de CO2 (dióxido de carbono) a la atmósfera y, por tanto, contribuir en menor medida al calentamiento global del planeta y el cambio climático.
Ahorrar
energía es también un deber de solidaridad, si tenemos en cuenta que cada habitante de los países desarrollados consume, por término medio, la misma energía que 16 ciudadanos del Tercer Mundo, y que los europeos occidentales somos responsables de la emisión de seis veces más cantidad de CO2 que los africanos.
El puesto de trabajo, después de nuestra casa, es el sitio donde más tiempo pasamos cada día, y puesto que muchos de los equipamientos y servicios de los que disponemos consumen energía, el puesto de trabajo se convierte en el lugar idóneo para la aplicación de buenas prácticas en el uso de la energía.
• Apaga el monitor del ordenador si vas a estar un rato sin utilizarlo. También puedes aplicar esta práctica en tu casa. Los equipos que tienen esta etiqueta, ahorran energía al entrar en un periodo de reposo, cuando no están siendo utilizados. • A la hora de imprimir, no te olvides de usar el modo económico. Haciendo un clic en Imprimir> Propiedades> Modo > Predefinido > Económico. • Cuando dejes de utilizar la fotocopiadora, no te olvides de baja la tapa y pulsa el botón de stand-by.
UTILIZA BOMBILLAS DE BAJO CONSUMO Su eficiencia lumínica es muy superior. Con sólo 11 watios iluminan lo mismo que una de incandescencia de 60 watios. Aunque son más caras, su vida media útil es muy superior. Unas 12.000 horas, frente a poco más de 1.000 de una convencional. Sustituir una sola bombilla incandescente de 100 watios por otra de bajo consumo evita la emisión a la atmósfera, de más de media tonelada de C02, durante su vida útil.
• Al venir al trabajo, evita utilizar el coche para viajes de corta distancia, utiliza el autobús o ven andando. • Si necesitas coger el coche, recuerda que con una conducción eficiente puedes conseguir un ahorro medio de carburante del 15%. Conduciendo con marchas largas y a bajas revoluciones reduces el consumo, las emisiones, los costes de mantenimiento y aumentas la seguridad y el confort.
• El uso ineficiente de la calefacción y del aire acondicionado consume mucha energía. En invierno la temperatura de confort en nuestro puesto de trabajo puede estar en los 22-23 ºC.
En verano la temperatura de confort adecuada es 26 ºC.
7
La energía térmica Experimenta
1. Si pones a calentar un cazo con agua en el fuego, ¿qué pasa con su temperatura?. 2. Si espolvoreas una sustancia finamente pulverizada sobre el agua, ¿qué sucede a medida que esta se calienta?. ¿Qué ocurre con el movimiento de las moléculas de agua cuando aumenta su temperatura?.
Para comprender mejor qué es el calor y la temperatura, recuerda lo que estudiaste en 1º de E.S.O. sobre la TEORÍA CINÉTICA y los Estados de Agregación de la materia:
Menor temperatura
Las partículas están muy juntas, unidas, y vibran un poco, pero no se desplazan.
Aumento de la temperatura
Las partículas están algo separadas, menos unidas, con más de libertad de movimiento.
Mayor temperatura
Las partículas están muy separadas y no dejan de moverse deprisa.
Recuerda, además, lo que hemos visto este curso sobre los cuerpos materiales que se mueven: tienen ENERGÍA CINÉTICA
Menor Temperatura
Aumento de la Temperatura
Menor E. Cinética
Aumento de la Energía Cinética
Como ves, hay una relación entre la Temperatura y el Movimiento de las partículas (átomos y moléculas) que constituyen las sustancias.
Mayor Temperatura
Mayor E. Cinética
¿Y qué es la Energía Térmica?
Lo que llamamos “ENERGÍA TÉRMICA” es en realidad la energía cinética de los átomos y moléculas.
Un cambio de estado es una modificación en el estado de agregación de la materia, es decir, en la disposición de las partículas que la constituyen, no en su tipo (la sustancia sigue siendo la misma). Al calentar una sustancia y elevar su temperatura esta cambia de estado. Estos cambios se pueden representar gráficamente, y para el caso del hielo vendrían dados por un gráfica como esta: Punto de ebullición: Temperatura a la una sustancia pasa del estado liquido a gaseoso
Punto de fusión: Temperatura a la una sustancia pasa del estado sólido a líquido.
• •
PUNTO DE FUSIÓN: Temperatura que permanece constante mientras el sistema cambia de estado SÓLIDO a estado LÍQUIDO. Depende de la presión del sistema. A 1 atm el hielo funde a 0ºC PUNTO DE EBULLICIÓN: Temperatura que permanece constante mientras el sistema cambia de estado LÍQUIDO a estado GASEOSO. Depende de la presión del sistema. A 1 atm el agua hierve a 100ºC
Sustancia
Punto de fusión (ºC)
Punto de ebullición (ºC)
Agua
0
100
Alcohol
-117
78
Hierro
1539
2750
Cobre
1083
2600
Aluminio
660
2400
Plomo
328
1750
Mercurio
-39
357
SUBLIMACIÓN
Sólido
Líquido
VAPORIZACIÓN
LICUACIÓN O CONDENSACIÓN
Gas SUBLIMACIÓN INVERSA
Cuando se calienta toda la masa de un líquido tiene lugar la vaporización, mientras que si lo hace su superficie hablamos de evaporación. En el caso del agua la evaporación se produce a temperaturas muy inferiores a los 100ºC y depende de la cantidad de radiación solar y de la presión atmosférica.
Condensación
SOLIDIFICACIÓN
Vaporización
FUSIÓN
Evaporación y Vaporización
Cambio de estado: calentamiento del agua
Explicación según la teoría cinética Toda la sustancia está en estado gaseoso. El calor comunicado se invierte en elevar la velocidad de las partículas. Aumenta la temperatura de la sustancia. Si el gas se encuentra en un recipiente cerrado, (volumen constante), aumentará la presión. T (ºC)
Gas
100
Cambio de estado de líquido a gas. No varía la temperatura
Toda la sustancia está en estado líquido. Se produce el cambio de estado de sólido a líquido. La temperatura no varía. Las partículas pueden vibrar, pero su movimiento está muy limitado. El calor que se le comunica hace que las partículas vibren más y, por tanto, que aumente la temperatura.
Líquido
0
Sólido -20 0
4
8
12
16
20
24
28
t (min)
8
La temperatura
Cuando notamos que algo está a una alta temperatura, en realidad lo que estamos notando es que sus átomos y moléculas se mueven más deprisa.
A medida que aumenta la temperatura de un cuerpo, el movimiento de las partículas se hace más evidente.
La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. La temperatura se mide con un instrumento llamado termómetro TERMÓMETRO
¿Quieres saber cómo funciona un termómetro?
¿Sabes qué es la dilatación?
TERMÓMETRO
Cuando calentamos un cuerpo material, este SE DILATA, es decir, aumenta su volumen. La dilatación se debe a que las partículas se separan:
Menor volumen
Aumento de la Temperatura
Mayor volumen
El líquido del termómetro se dilata y sube por el interior del tubo
Partículas más juntas
Partículas más separadas, moviéndose más deprisa
Juntas de dilatación
Cuando hace calor las paredes se dilatan. Cuando refresca se contraen. Por eso existen las “juntas de dilatación”
Con las juntas pueden dilatarse sin problemas. La casa aguantará más años.
Los sólidos, los líquidos y los gases se dilatan y se contraen. La dilatación es el aumento de volumen que experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se eleva su temperatura. La contracción es la disminución del volumen que experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando desciende su temperatura
Al chocar las particulas contra las paredes del recipiente, los gases ejercen una presión
Dilatación de un sólido
Dilatación de un líquido
Dilatación de un gas
De alcohol
De mercurio
Digital
Digital De aguja
Sirven para ver si tenemos fiebre.
Hilo de mercurio Estrechamiento Bulbo
sensor
Al enfriarse se rompe el hilo de mercurio por el estrechamiento, manteniéndose invariable la lectura (lo que marca). Por eso hay que agitar estos termómetros antes de cada uso.
Los termómetros clínicos digitales están sustituyendo a los de mercurio. Tienen un sensor que se dilata. La temperatura aparece en una pantalla.
Son ideales para temperaturas extremas, en especial las temperaturas muy bajas, pues el punto de fusión es muy bajo: -114ºC (a esa temperatura se congela).
Sirven para medir la temperatura del aire.
Hilo de alcohol
El alcohol se usa tintado para facilitar la lectura de temperaturas (el alcohol puro es transparente y no se vería bien). Los termómetros ambientales digitales están sustituyendo a los de alcohol.
Bulbo
Anders Celsius 1701-1744
El grado Celsius, Agua hirviendo Dividamos 100ºC denominado también esto en grado ciencentígrado, representado como partes C, es la unidad iguales. creada por Anders Fusión del hielo Celsius. 0ºC
Se da el valor 0 a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 a la temperatura de ebullición del agua (ambas medidas con una presión normal), y dividiendo la escala resultante en 100 partes iguales, cada una de ellas definida como 1 grado Celsius.
Haz clic para saber cuál puede ser la temperatura más baja que puede existir… No puede haber una temperatura más baja que -273ºC porque las partículas no pueden vibrar menos. A – 273ºC los átomos y moléculas dejan de moverse por completo.
Cero absoluto
Por encima de 0 K
Las partĂculas dejan de moverse por completo.
Lord Kelvin (1824-1907)
No puede existir una temperatura por debajo de 0 K
En la escala Kelvin, la temperatura de congelación del agua es de 273 K, por lo que
0ºC = 273 K Las divisiones de esta escala son iguales que las de la escala Celsius, por tanto, la temperatura de ebullición del agua será:
100ºC = 373 K De aquí se desprende que: Para convertir grados centígrados en kelvin, hay que sumar 273 T (K) = t (ºC) + 273
Escalas Actualmente se utilizan tres escalas para medir al temperatura, la escala Celsius es la que todos estamos acostumbrados a usar, la Fahrenheit se usa en los paĂses anglosajones y la escala Kelvin de uso cientĂfico.
C 100
F 32 180
K 273 100
C 5
F 32 9
K 273 5
Convierte las siguientes temperaturas Celsius a Fahrenheit: (a) –62,8ºC, la temperatura más baja registrada en Norteamérica (el 3 de febrero de 1947 en Snag, Yukon); (b) 56,7ºC, la temperatura más alta registrada en EE.UU. (el 10 de julio de 1913, en el Valle de la Muerte, California); (c) 31,1ºC, la temperatura media anual más alta del mundo (Lugh Ferrandi, Somalia). (a) –62,8ºC, la temperatura más baja registrada en Norteamérica (el 3 de febrero de 1947 en Snag, Yukon);
(b) 56,7ºC, la temperatura más alta registrada en EE.UU. (el 10 de julio de 1913, en el Valle de la Muerte, California)
(c) 31,1ºC, la temperatura media anual más alta del mundo (Lugh Ferrandi, Somalia).
C F 32 100 180 62,8 F 32 100 180 180 62,8 100 ( F 32)
C F 32 100 180 56,7 F 32 100 180 180 56,7 100 ( F 32)
C F 32 100 180 31,1 F 32 100 180 180 31,1 100 ( F 32)
11304 100 F 3200 8104 F 81,04 100
10206 100 F 3200 13406 F 134,06 100
5598 100 F 3200 8798 F 87,98 100
El punto de ebullición normal del nitrógeno es –195,81ºC. Calcule esta temperatura en escala Kelvin.
C K 273 100 100 195,81 K 273 100 100 195,81 K 273 K 273 195,81 77,19 Si te sientes mal y te dicen que tienes una temperatura de 105ºF. ¿Qué temperatura tienes en ºC? ¿Debes preocuparte?
C 105 32 100 180 180C 100 73 C
7300 180
40,55
Estoy tardando en ir al médico, puedo estar incubando un buen virus o tener alguna infección
9
Calor y equilibrio térmico Cuando dos cuerpos o sistemas a distinta temperatura se ponen en contacto acaban igualando su temperatura. Se dice entonces que han alcanzado el equilibrio térmico.
Al cabo de un tiempo el café se habrá enfriado, igualando su temperatura con la del ambiente.
Cuando dos sistemas o cuerpos en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico. El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo que se halla a mayor temperatura a otro de menor temperatura. Equilibrio
térmico
Clavo caliente
Agua fría
Vemos evaporarse agua porque ésta gana energía térmica
El clavo se enfría
El agua ha ganado E. Térmica
El calor se transfiere desde el clavo, que está a mayor temperatura, al agua, que está a menor temperatura. Si metes un clavo caliente en mucha agua fría, el clavo se enfría. Esto es porque la energía cinética media (y no la total) de los átomos del clavo es mayor que la de las moléculas de agua.
El calor siempre se transfiere desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, independientemente de sus tamaños relativos. . Equilibrio
térmico
El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en
el sistema internacional su unidad es el julio (J) . Con frecuencia se usan múltiplos del julio, como el Kilojulio (kJ)
Otra unidad tradicional (antigua) para medir el calor es la caloría (cal)
1 cal = 4,184 J Equilibrio
térmico
驴C贸mo se transfiere o transmite el calor? De tres formas distintas:
¡Cuidado con quemarte!. Los metales son muy buenos conductores térmicos.
Si calientas una varilla de metal por un extremo, al rato notarás cómo se calienta por el extremo opuesto. El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se denomina conducción.
En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia Los átomos se mueven más deprisa y chocan con los átomos vecinos, transmitiéndoles energía. La energía térmica se transmite al otro extremo
Así se produce la conducción
Sustancia
Conductividad térmica
¿Y por qué te quemas Plata 0,97 si calientas una varilla de cobre y no te Cobre 0,92 quemas con un palito Aluminio 0,49 de madera? Acero 0,12 Latón
0,26
Plomo
0,083
Corcho
0,0001
Ladrillo
0,0015
Madera
0,0002
Hielo
0,004
Vidrio
0,002
Cada sustancia o Porque la madera es material (madera, un conductor metal, cuarzo, agua…) térmico muy malo, es tiene su propia decir, es un conductividad AISLANTE térmica. TÉRMICO Cobre: conductor térmico
Madera: aislante térmico
Sustancia
Conductividad térmica
Plata
0,97
Cobre
0,92
Aluminio
0,49
Acero
0,12
Latón
0,26
Plomo
0,083
Corcho
0,0001
Ladrillo
0,0015
Madera
0,0002
Hielo
0,004
Vidrio
0,002
Cobre: conductor térmico
Madera: aislante térmico
Los conductores térmicos son aquellas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica. Los aislantes térmicos son aquellas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica.
Sustancia
Conductividad térmica
Plata
0,97
Cobre
0,92
Aluminio
0,49
Acero
0,12
Latón
0,26
Plomo
0,083
Corcho
0,0001
Ladrillo
0,0015
Madera
0,0002
Hielo
0,004
Vidrio Equilibrio 0,002 térmico
Estas flechas indican las CORRIENTES DE CONVECCIÓN, que es el fluido moviéndose:
Equilibrio
térmico
Los convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido. En la convección se transmite energía térmica mediante el transporte de materia.
Experimento 1
Si pones un termómetro junto a una lámpara, la temperatura se eleva. El aire es muy mal conductor del calor (es bastante aislante en comparación con otras sustancias)… entonces… ¿Cómo ha llegado tan rápido la energía térmica al bulbo del termómetro? … ¿Por el aire?...
Experimento 2
Si se pone un termómetro en el vacío (sin aire) junto a una lámpara, la temperatura se eleva.
Esto demuestra que no hace falta aire (materia) para que se transfiera energía térmica. La radiación es el proceso por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío.
Recuerda: no hace falta aire ni otra materia para que una radiación se propague.
Por eso nos llega Energía Térmica del Sol: no hay aire, sino vacío, entre nuestro planeta y el Sol.
Pero la Energía Térmica no es la única forma de Radiación que existe… haz click para saber más…
La energía que los cuerpos emiten por radiación se denomina ENERGÍA RADIANTE Espectro de la luz visible
LUZ VISIBLE RADIACIONES NO VISIBLES
Menos energía Onda larga Onda media
Ondas de radio y TV
Onda corta Radiación de microondas
RADIACIONES NO VISIBLES
Más energía Radiación Infrarroja
Radiación Ultravioleta Rayos X
Rayos Gamma
Brasas
En un fuego percibimos dos radiaciones:
Vemos la luz con nuestros ojos Percibimos el calor (radiación infrarroja) con nuestra piel.
Nuestra piel es capaz de percibir ciertas radiaciones infrarrojas como sensación térmica de calor. Con una fotografía infrarroja podemos ver cómo este perro emite calor.
Todos los cuerpos absorben radiación, pero también reflejan parte de ella.
Una camiseta negra absorbe bastante radiación
Radiación reflejada
Una camiseta blanca refleja bastante radiación