¿Cómo se manifiesta la energía?
Cualquier movimiento físico, todas las reacciones químicas y las fuentes que emiten calor o frío son manifestaciones energéticas.
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La energía cambia de estado con facilidad, de forma natural o provocado por el hombre a través de máquinas: motores, generadores, receptores de energía, etc. El cuerpo humano es el ejemplo más claro y cercano de cambio de estado de la energía, obtiene energía de los alimentos y mediante reacciones químicas la transforma en calor corporal o en movimiento de los músculos. La energía se presenta constantemente en nuestras vidas. El primer principio de la termodinámica dice: “La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma”.
A lo largo de la historia hemos aprendido a generar energía, a cambiar su estado, eólica, saltos de agua, mecánica, eléctrica, química, térmica… pero la principal inquietud del ser humano siempre ha sido almacenarla en grandes cantidades, empresa nunca conseguida.
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¿Cómo se mide la energía?
Otra cuestión importante es medir la cantidad de energía. Todos hemos oído noticias en la TV como esta: “La Empresa Provincial de Energía de Córdoba detalló que el martes a las 15 se produjo el récord histórico de consumo en Córdoba Capital, alcanzando los 640 MW (Megavatios)”. Pero esta noticia hace referencia a la suma de la potencia de todos los aparatos eléctricos conectados a la red en ese momento no a la energía consumida en un periodo de tiempo.
Significa que si sumamos todas las potencias de los aparatos eléctricos que están funcionando en ese momento en la capital de Córdoba alcanzaría los 640.000.000W (vatios). Un ejemplo de consumo de una sola vivienda: 3 bombillas de 60W + nevera de 1000W + cocina eléctrica de 1200W + dos estufas de 1500W = 3880W.
Las centrales eléctricas disponen de sistemas de medida y cálculo del consumo total en un barrio, población o incluso de todo el país. https://demanda.ree.es/demanda.html
Otro dato importante es el cálculo de la energía consumida, para lo que hay que multiplicar la potencia por el tiempo que está actuando. A lo largo de la historia se han inventado diferentes formas de medir la energía. La energía se mide en vatios por segundo (W·s), julios (J) o en calorías (cal).
Y ya se están instalando contadores eléctricos inteligentes que informan, a través de la propia red eléctrica, del consumo en la vivienda, incluso de posibles incidencias.
Elegir una u otra unidad de medida depende del tipo de aplicación, pero existe una fácil conversión entre ellas. Los electrónicos y electricistas utilizan el vatio por segundo o el múltiplo kilovatio por hora (kW·h), los físicos el julio y los dietistas las calorías o kilocalorías (kcal).
En la Wikipedia puedes encontrar mucha información sobre las unidades de energía: http://es.wikipedia.org/wiki/Julio_(unidad) y algo importante, el orden de magnitud. Trascribo ese párrafo que considero importante:
El julio es una unidad de energía muy pequeña para la vida corriente. Aproximadamente, un julio es la cantidad de energía necesaria para levantar 1 kg una altura de 10 cm en la superficie terrestre. Una patada de un deportista puede tener una energía de unos 200 J; una bombilla de bajo consumo de 20 W durante 8 horas gasta unos 600.000 J; y el consumo eléctrico de una familia media durante un mes puede ser de 1.000.000.000 J (unos 278 kWh). Por eso es más frecuente utilizar la unidad kWh (kilovatio hora), en lugar del MJ (megajoule) o el GJ (gigajoule).
La energía en nutrición.
La caloría también es una unidad relativamente pequeña. Puedes encontrar información en: http://es.wikipedia.org/wiki/Caloria
Es muy utilizada en química y nutrición. 1 cal = 4,18 J. Trascribo ese párrafo que considero importante:
Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado celsius la temperatura de un gramo de agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a una presión normal de una atmósfera.
El orden de magnitud es comparable con el julio sabiendo que 1J=0,24 cal, o bien 1cal=4,18J.
En las dietas la unidad base es la kilo caloría kcal, aunque de forma errónea se utiliza la palabra “Cal” como sustitutivo de “kcal”.
Dependiendo del sexo, altura, complexión, actividad laboral, etc. las necesidades calóricas varían. Uno de estos valores calóricos podría ser 2300 kcal.
A la energía requerida por el organismo en reposo absoluto y a temperatura constante se le llama Tasa de Metabolismo Basal (TMB) que es la mínima energía que necesitamos para mantenernos vivos.
La tabla siguiente ofrece algunos ejemplos de consumos calóricos.
La energía en electricidad y electrónica
Tipo de actividad
|
Coeficiente de variación
|
Kcal./hora (hombre tipo)
|
Ejemplos de actividades físicas representativas
|
Reposo
|
TMB x 1
|
65
|
Durante el sueño, tendido (temperatura agradable).
|
Muy ligera
|
TMB x 1,5
|
98
|
Sentado o de pie (pintar, jugar cartas, tocar un
instrumento, navegar por Internet, etc.)
|
Ligera
|
TMB x 2,5
|
163
|
Caminar en llano a 4-5 km/h, trabajar en un taller,
jugar al golf, camareras, etc.
|
Moderada
|
TMB x 5
|
325
|
Marchar a 6 km/h, jardinería, bicicleta a 18 km/h,
tenis, baile, etc.
|
Intensa
|
TMB x 7
|
455
|
Correr a 12 km/h, jugar al fútbol o al rugby,
escalada, preparar páginas WEB, etc.
|
Muy pesada
|
TMB x 15
|
1000
|
Subir escaleras a toda velocidad o atletismo de alta
competición.
|
La energía en electricidad y electrónica
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Hablar de vatios es hablar de la potencia que consume un aparato eléctrico. Pero para hablar de energía consumida hay que hacer evolucionar esa potencia en el tiempo. De esta forma una energía de 1J (julio) tiene una equivalencia a 1W·s, vatio por segundo. Si un aparato cuya potencia de consumo es de 1W está en funcionamiento durante 1s habrá consumido una energía de 1J, energía que habrá quedado convertida a un nuevo estado. Una estufa consume energía eléctrica y la transforma a energía calórica.
Pero tanto el vatio como el segundo son dos unidades bajas para medir el consumo de un domicilio o empresa, por eso se utiliza el kWh. Un kilovatio por hora sería tener en marcha aparatos con un consumo total de 1000 W durante 1 hora.
Algunas equivalencias interesantes son:
- 1 Wh (vatio·hora) = 3600 J
- 1 kWh (kilovatio·hora) = 3,6×10exp6 J
- 1 tonelada equivalente de petróleo = 41,84×10exp9 J = 11622 kWh.
- 1 tonelada equivalente de carbón = 29,3×10exp9 J = 8138,9 kWh.
- 1 g de TNT = 4184 J ~ 1 kcal.
Algunos conceptos energéticos más
Otra unidad que puede ser útil considerar al hablar de ahorro energético es la Frigoría.
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La frigoría (fg) es una unidad de energía informal para medir la absorción de energía térmica. Equivale a una kilocaloría negativa. Podría definirse, extendiendo la definición de kilocaloría del Sistema Técnico, como la energía que hay que sustraer de un kilogramo de agua a 15,5 °C, a presión atmosférica normal, para reducir su temperatura en 1 °C. Si bien el término ha sido aceptado por la Real Academia Española, la unidad no existe en el Sistema Técnico. 1fg=-1000cal.
La BTU o BTu es una unidad de energía inglesa. Es la abreviatura de British Thermal Unit. Se usa principalmente en los Estados Unidos. Ocasionalmente también se puede encontrar en documentación o equipos antiguos de origen británico. En la mayor parte de los ámbitos de la técnica y la física ha sido sustituida por el julio, que es la unidad correspondiente del sistema internacional.
- Una BTU equivale aproximadamente a: 252 calorías, 1.055,056 julios.
- 12.000 BTU/h = 1 Tonelada de refrigeración = 3.000 frigorías/h.
La temperatura absoluta de cualquier cuerpo se mide en Kelvin y se representa con la letra K (mayúscula). La k (minúscula) significa kilo o 1000, no confundir. Es una escala de medida de la temperatura que no va precedida de la palabra grados, simplemente Kelvin. Van desde los 0K, llamado cero absoluto de temperatura, no hay temperatura más baja posible en el universo y que corresponde con -273ºC (grados centígrados o Celsius), pasando por los 273K que corresponde a los 0ºC y sigue aumentando hasta valores increíblemente altos, por ejemplo en la superficie del Sol es de 5780 Kelvin.
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Pasar de Kelvin a grados centígrados es tan fácil como utilizar esta fórmula:
T(ºC) = T (K) + 273
En unidades energéticas puedes encontrarte Kelvin y grados centígrados indistintamente.
El grado Fahrenheit (°F) es una escala de temperatura propuesta por Daniel Gabriel Fahrenheit en 1724. La escala establece como las temperaturas de congelación y evaporación del agua, 32 °F y 212 °F, respectivamente. El método de definición es similar al utilizado para el grado Celsius (°C). Las conversiones se realizan:
T(ºC) = (T(ºF)-32)/1,8
T(ºF) = (1,8 · T(ºC))-32
El calor específico (ce) es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial. Se la representa con la letra c (minúscula). La siguiente imagen muestra calorímetros para medidas de calores específicos.
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Lee esta aclaración:
El calor específico del agua exhibe un valor mínimo de 0,99795 cal/(g·ºC) para la temperatura de 34,5 °C, en tanto que vale 1,00738 cal/(g·ºC) a 0 °C. Por consiguiente, el calor específico del agua varía menos del 1% respecto de su valor de 1 cal/(g·ºC) a 15 °C, por lo que a menudo se le considera como constante.
Por simplicidad se acaba tomando el valor 1 cal/(g·ºC) para cualquier temperatura. También es posible que encuentres estas otras formas de dar el valor, utilizando Kelvin o Julios. Todas estas medidas de ce son posibles, razónalas.
1cal/(g·K) 4,18 J/(g·K) 4,18kJ/(kg·K) 4,18J/(g·ºC) 4180J/(kg·K)
El significado de este valor se interpreta de la siguiente forma: Hace falta añadir una energía de 1 caloría a un gramo de agua para que aumente su temperatura un grado.
Capacidad calorífica de algunos materiales
Se entiende por capacidad calorífica a la energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura. Por ejemplo: 1 m3 de agua precisa un aporte de 1000 kcal para que su temperatura aumente en 1ºC. Un dato interesante es la capacidad calorífica del aire. 1m3 de aire precisa 0,29 kcal para que su temperatura aumente 1ºC.
Material
|
Densidad
|
||
kcal/kg · °C
|
kg/m3
|
kcal/m3 · °C
|
|
1
|
1000
|
1000
|
|
0,12
|
7850
|
950
|
|
Tierra
seca
|
0,44
|
1500
|
660
|
0,2
|
2645
|
529
|
|
0,57
|
750
|
430
|
|
0,20
|
2000
|
400
|
|
0,6
|
640
|
384
|
|
0,17
|
2200
|
374
|
|
0,16
|
2300
|
350
|
|
0,2
|
1440
|
288
|
|
0,32
|
111
|
35
|
|
Poliestireno
expandido
|
0,4
|
25
|
10
|
Poliuretano
expandido
|
0,38
|
24
|
9
|
0,19
|
15
|
2,8
|
|
0,24
|
1,2
|
0,29
|
De la Wikipedia he extraído el siguiente párrafo que considero interesante:
En la tabla se puede ver que de los materiales comunes poseen una gran capacidad calorífica: el agua, muros de agua, la tierra o suelo seco compactado (adobe, tapia), y piedras densas como el granito junto a los metales como el acero. Estos se encuentran entre los 500 y 1000 kcal/m³·°C.
Luego se encuentra otro grupo que va de 300 a 500 kcal/m³·°C entre los que se ubica la mayoría de los materiales usuales en la construcción actual, como el ladrillo, el hormigón, las maderas, los tableros de yeso roca y las piedras areniscas.
En un último grupo se encuentra (3 a 35 kcal/m³·°C), los aislantes térmicos de masa como la lana de vidrio, las lanas minerales, el poliestireno expandido y el poliuretano expandido que por su "baja densidad" debido a que contienen mucho aire poseen una capacidad calorífica muy baja pero sirven como aislantes térmicos.
Un caso especial es el aire (0,29 kcal/m³·°C; 1,21 J/m³·K), que sirve como un medio para transportar el calor en los sistemas pasivos pero no para almacenar calor en su interior.
No analizaremos más conceptos energéticos pero puedes investigar mucho más por Internet.
¿dónde están esos cálculos?
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