Energia, Calor y Temperatura

DEDICATORIAEste trabajo se lo dedicamos a nuestro profesorSosimo Fernandez Salinas por su excelente trabajocomo docente universitario, a nuestros compaeros y a nuestros padres que Dios ilumine sus caminos paraque puedan ser guas de su prjimo.

LA TEMPERATURAINTRODUCCIN:La temperatura es una medida que se utiliza para hacer referencia a la cantidad de calor que irradia un objeto o ambiente. Para su medicin, el elemento que se utiliza es el termmetro dependiendo del rea para el que est desarrollado tendr una fiabilidad variable. As, por ejemplo, para medir latemperaturacorporal suele utilizarse un termmetro de mercurio, que recibe su nombre por el hecho de contener mercurio que va variando sus condiciones fsicas en el calor, ocupando ms espacio y recorriendo una serie de marcas que dan cuenta de latemperatura. En la medida en que latemperaturaes un modo de medir el calor, puede decirse que es una manera de medir una cierta forma deenerga. En efecto, segn la termodinmica el calor es solo una forma de energa que puede derivar de otras formas y hacia otras formas, porque esta nunca se pierde sino que se transforma. De hecho, la vida en elplanetase debe en buena medida a que las plantas pueden utilizar el calor del sol para generar energa con la que fabricarn su propio alimento, dando lugar a los primeros eslabones de la cadena alimentaria.

El hombre y los mamferos en general son capaces de lograr mantener su temperatura, adaptndose al entorno que les toca vivir. As, cuando el exterior tiene una temperatura baja para los parmetros del cuerpo humano, este utiliza ms energa para mantenerla estable. Por el contrario, cuando el calor externo es superior a la temperatura a la que debe desarrollarse el organismo, existen vas para lograr que ste se mantenga en los mismos niveles de calor, por ejemplo, con la sudoracin; en este caso se logra que el lquido en contacto con el aire funcione como una suerte de refrigerante. No obstante, esta regulacin interna de la temperatura se ve afectada cuando se entra en sueo profundo.En el caso de los animales de sangre fra, esta regulacin se encuentra vedada, por lo que su dependencia del clima externo se vuelve aguda. Ese es el motivo por el que es comn ver a mucha variedad de reptiles echarse al sol durante un extenso perodo de tiempo. Algunos de ellos, como por ejemplo los cocodrilos, se sumergen en el agua durante la noche porque en esta baja menos la temperatura.Se ha podido comprobar lo largo de los aos, durante los dos ltimos siglos, que la temperatura promedio del planeta ha ido elevndose paulatinamente. Esta circunstancia se debe indirectamente al aumento de la produccin industrial que agudiza el efecto invernadero. En el futuro se deber reparar en esta problemtica de forma segura a fin de que genere problemas de envergadura.En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas est la escala Celsius tambin conocida como escala centgrada, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Ranking o la escala termodinmica internacional. En la escala Celsius, el punto de congelacin del agua equivale a 0 C, y su punto de ebullicin a 100 C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo cientfico. La escala Fahrenheit se emplea en los pases anglosajones para medidas no cientficas y en ella el punto de congelacin del agua se define como 32 F y su punto de ebullicin como 212 F. En la escala Kelvin, la escala termodinmica de temperaturas ms empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto como punto ms bajo es la escala Ranking, en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit. En la escala Ranking, el punto de congelacin del agua equivale a 492 R, y su punto de ebullicin a 672 R.En 1933, cientficos de treinta y una naciones adoptaron una nueva escala internacional de temperaturas, con puntos fijos de temperatura adicionales basados en la escala Kelvin y en principios termodinmicos. La escala internacional emplea como patrn un termmetro de resistencia de platino (cable de platino) para temperaturas entre -190 C y 660 C. Desde los 660 C hasta el punto de fusin del oro (1.063 C) se emplea un termopar patrn: los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensin producida entre dos alambres de metales diferentes. Ms all del punto de fusin del oro las temperaturas se miden mediante el llamado pirmetro ptico, que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente.En 1954, un acuerdo internacional adopt el punto triple del agua es decir, el punto en que las tres fases del agua (vapor, lquido y slido) estn en equilibrio como referencia para la temperatura de 273,16 K. El punto triple puede determinarse con mayor precisin que el punto de congelacin, por lo que supone un punto fijo ms satisfactorio para la escala termodinmica. En criogenia, o investigacin de bajas temperaturas, se han obtenido temperaturas de tan slo 0,00001 K mediante la desmagnetizacin de sustancias paramagnticas. En las explosiones nucleares se han alcanzado momentneamente temperaturas evaluadas en ms de 100 millones de kelvin.El concepto de temperatura est muy relacionado con el diario vivir. Tenemos un concepto intuitivo de algo ms caliente o ms fro. Este concepto es solo cualitativo y aplicable solo en espacio limitado. Se hace necesario establecer una escala que permita clasificar las temperaturas por orden creciente. Para ello basta encontrar un fenmeno fsico que sea una funcin constantemente creciente o decreciente en un rango de temperaturas utilizables.Existen distintasescalas para medir latemperatura. Aqu citaremos las que son sin duda las ms usadas tanto en la vida comn como en las ciencias.ESCALAS DE TEMPERATURA:Escala Centgrada(C):Tambin llamadaEscala Celsius. Es muy usada en pases de habla hispana. Se mide en grados centgrados o Celsius.Escala Fahrenheit(F):Es ms comn enpases anglosajones.Escala Kelvin(K): Esta es la ms usada en el mbito cientfico. En qumica y fsica por ejemplo.Un punto muy importante es la manera de poder pasar o transformar un valor de temperatura que est en una escala a otra.Por ejemplo si tenemos que pasar una temperatura que esta en grados centgrados a otra de grados Kelvin solo bastara con sumarle al valor 273. EjemploK = 25C + 273 = 298KSi tuviramos una en grados K le restamos 273 para pasarla a la escala Celsius.C = 290K 273 = 17C.Entre las escalasCelsiusyFahrenheittambin hay frmulas de pasaje:C = (F 32. 5/9Si tenemos una temperatura de 86FC = (86F 32). 5/9 = 30CLa frmula para convertir C a F sale de despejar F en la anterior:F = C. 9/5 + 32Otra escala que ya prcticamente est sin uso salvo en los pases anglosajones es la escala Ranking. Equivale a 9/5 de la escala Kelvin. O sea que si queremos calcular la cantidad de grados Ranking multiplicamos a los grados K por 9/5

Cientficos relacionados con el desarrollo del estudio de la temperatura:Anders Celsius(1701-1744) fue un fsico y astrnomo sueco, sus investigaciones en el campo de la astronoma fueron relevantes, sin embargo, es ms conocido por ser el creador de laescala Celsius.En el ao 1742 invent un termmetro de mercurio que calibr empleando la escala Celsius (llamada centgrada hasta 1948), establecida por l. El punto correspondiente a la temperatura 0 C coincida con el punto de ebullicin del agua, mientras que la temperatura de 100 C equivala a la de congelacin del agua al nivel del mar. La escala indicaba, por lo tanto, temperaturas positivas cuando descendan las temperaturas; este sentido se cambi despus. Ese mismo ao present ante la Academia de ciencias sueca su memoria sobre los puntos fijos de la escala termomtrica, que contribuy decisivamente a la aceptacin del termmetro centgrado.Daniel Fahrenheit:(1686-1736) fue un fsico e instrumentista alemn que utiliz por primera vez el termmetro de mercurio. En su poca los inviernos eran especialmente fros en Europa Occidental, y, dadas las bajas temperaturas resultaba ms prctico tomar como cero de la escala la temperatura de congelacin de una mezcla anticongelante de agua y sal. Como segunda referencia eligi la temperatura del cuerpo humano, no quiso tomar el punto de ebullicin del agua porque varia con la presin (el agua hierve antes en la montaa). Una vez tomados los puntos dividi en 96 partes, con todo esto la temperatura de congelacin y ebullicin del agua seran 32 F y 212 F.Lord Kelvin: El nombre de la escala procede deLord Kelvin, un cientfico britnico que demostr en 1884, a la edad de 24 aos, que es imposible alcanzar una temperatura debajo de 0 K. La prctica entonces habitual de utilizar termmetros calibrados con los puntos de fusin y de ebullicin del agua, presentaba el inconveniente de que esta escala es poco cientfica pues, no se puede asegurar que todos los grados sean iguales. Para solucionar el problema William Thomson (Lord Kelvin) propuso en 1848 una escala termomtrica basada en la Termodinmica. En esta escala la referencia para el cero es la temperatura ms baja que se puede alcanzar (0 K) que se define como el valor de temperatura a la cual la presin de cualquier gas se anula. Como segundo punto Thomson eligi el punto triple del agua (nica temperatura a la que pueden coexistir el hielo, agua lquida y vapor de agua, en contacto entre s) y le asign el valor de 273,16 K.LEYES DE LA TERMODINMICALEY CERO DE LA TERMODINAMICA:Si dos partes de un sistema entran en contacto trmico es probable que ocurran cambios en las propiedades de ambas. Estos cambios se deben a la transferencia de calor entre las partes. Para que un sistema est en equilibrio trmico debe llegar al punto en que ya no hay intercambio neto de calor entre sus partes, adems ninguna de las propiedades que dependen de la temperatura debe variar.Una definicin de temperatura se puede obtener de laLey cero de la termodinmica, que establece que si dos sistemas A y B estn en equilibrio trmico, con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarn en equilibrio trmico entre s.1Este es un hecho emprico ms que un resultado terico. Ya que tanto los sistemas A, B, y C estn todos en equilibrio trmico, es razonable decir que comparten un valor comn de alguna propiedad fsica. Llamamos a esta propiedadtemperatura.Sin embargo, para que esta definicin sea til es necesario desarrollar un instrumento capaz de dar un significado cuantitativo a la nocin cualitativa de sa propiedad que presuponemos comparten los sistemas A y B. A lo largo de la historia se han hecho numerosos intentos, sin embargo en la actualidad predominan el sistema inventado porAnders Celsiusen1742y el inventado porWilliam Thomson(ms conocido como lord Kelvin) en1848.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICATambin es posible definir la temperatura en trminos de lasegunda ley de la termodinmica, la cual dice que laentropade todos los sistemas, o bien permanece igual o bien aumenta con el tiempo, esto se aplica al Universo entero como sistema termodinmico.2La entropa es una medida del desorden que hay en un sistema. Este concepto puede ser entendido en trminos estadsticos, considere una serie de tiros de monedas. Un sistema perfectamente ordenado para la serie, sera aquel en que solo cae cara o solo cae cruz. Sin embargo, existen mltiples combinaciones por las cuales el resultado es un desorden en el sistema, es decir que haya una fraccin de caras y otra de cruces. Un sistema desordenado podra ser aquel en el que hay 90% de caras y 10% de cruces, o 60% de caras y 40% de cruces. Sin embargo es claro que a medida que se hacen ms tiros, el nmero de combinaciones posibles por las cuales el sistema se desordena es mayor; en otras palabras el sistema evoluciona naturalmente hacia un estado de desorden mximo es decir 50% caras 50% cruces de tal manera que cualquier variacin fuera de ese estado es altamente improbable.Para dar la definicin de temperatura con base en la segunda ley, habr que introducir el concepto demquina trmicala cual es cualquier dispositivo capaz de transformar calor entrabajo mecnico. En particular interesa conocer el planteamiento terico de lamquina de Carnot, que es una mquina trmica de construccin terica, que establece los lmites tericos para la eficiencia de cualquier mquina trmica real.

TEMPERATURAS EN DISTINTOS MEDIOSPara ungas ideal, lateora cinticade gases utilizamecnica estadsticapara relacionar la temperatura con el promedio de la energa total de los tomos en el sistema. Este promedio de la energa es independiente de lamasade las partculas, lo cual podra parecer contraintuitivo para muchos. El promedio de la energa est relacionado exclusivamente con la temperatura del sistema, sin embargo, cada partcula tiene su propia energa la cual puede o no corresponder con el promedio; la distribucin de la energa, (y por lo tanto de las velocidades de las partculas) est dada por ladistribucin de Maxwell-Boltzmann. La energa de los gases idealesmonoatmicosse relaciona con su temperatura por medio de la siguiente expresin:

Donde (n= nmero demoles, R=constante de los gases ideales).En un gasdiatmico, la relacin es:

El clculo de la energa cintica de objetos ms complicados como las molculas, es ms difcil. Se involucrangrados de libertadadicionales los cuales deben ser considerados. La segunda ley de la termodinmica establece sin embargo, que dos sistemas al interactuar el uno con el otro adquirirn la misma energa promedio por partcula, y por lo tanto la misma temperatura.En una mezcla de partculas de varias masas distintas, las partculas ms masivas se movern ms lentamente que las otras, pero aun as tendrn la misma energa promedio. Un tomo deNense mueve relativamente ms lento que una molcula dehidrgenoque tenga la misma energa cintica. Una manera anloga de entender esto es notar que por ejemplo, las partculas de polvo suspendidas en un flujo de agua se mueven ms lentamente que las partculas de agua. Para ver una ilustracin visual de ste hecho veaeste enlace. La ley que regula la diferencia en las distribuciones de velocidad de las partculas con respecto a su masa es laley de los gases ideales.En el caso particular de laatmsfera, losmeteorlogoshan definido latemperatura atmosfrica(tanto latemperatura virtualcomo el potencial) para facilitar algunos clculos.SENSACIN TRMICAEs importante destacar que lasensacin trmicaes algo distinto de la temperatura tal como se define en termodinmica. La sensacin trmica es el resultado de la forma en que lapielpercibe la temperatura de los objetos y/o de su entorno, la cual no refleja fielmente la temperatura real de dichos objetos y/o entorno. La sensacin trmica es un poco compleja de medir por distintos motivos: El cuerpo humano regula su temperatura para mantenerla aproximadamente constante (alrededor de 36,5C). El cuerpo humano produce calor constantemente, que es el residuo de la digestin de los alimentos que ingiere. Ese calor sirve para mantener la temperatura antes dicha, y para ello debe disipar el sobrante en el ambiente. Si las condiciones del entorno hacen que las prdidas sean iguales a la produccin el cuerpo siente bienestar trmico. Si las condiciones del entorno hacen que las prdidas de calor superen a la produccin, el cuerpo siente fro. Si las condiciones impiden que el calor sobrante se disipe, el cuerpo siente calor. Las prdidas o ganancias dependen de varios factores, no solo de la temperatura seca del aire. Se produce intercambio porconveccin. El aire en contacto con la piel, se calienta y asciende, siendo sustituido por aire ms fresco, que a su vez se calienta. Si el aire es ms caliente ocurre al revs. Por radiacin. La piel intercambia calor por radiacin con el entorno: si la temperatura radiante media del entorno es ms fra que la de la piel, se enfra, si es al contrario, se calienta. Por evapotranspiracin. Al evaporarse el sudor o la humedad de la piel o de las mucosas, se produce una prdida de calor siempre, debida al calor latente de evaporacin del agua. Por todo ello, la sensacin de comodidad depende de la incidencia combinada de los factores que determinan estos cuatro tipos de intercambio:temperatura seca,temperatura radiante,temperatura hmeda(que seala la capacidad del aire para admitir o no la evaporacin del sudor) y la velocidad del aire (que incide sobre la conveccin y la evaporacin del sudor). La incidencia en las prdidas de la transmisin es pequea, salvo que la piel, o parte, est en contacto con objetos fros (pies descalzos, asiento fro con poca ropa de abrigo...).

TIPOS DE TEMPERATURA:TEMPERATURA SECASe llamatemperatura seca del airede un entorno (o ms sencillamente:temperatura seca) a la temperatura delaire, prescindiendo de laradiacincalorfica de los objetos que rodean ese ambiente concreto, y de los efectos de lahumedad relativay de los movimientos de aire. Se puede obtener con eltermmetro de mercurio, respecto a cuyo bulbo, reflectante y de color blanco brillante, se puede suponer razonablemente que no absorbe radiacin.TEMPERATURA RADIANTELatemperatura radiantetiene en cuenta el calor emitido por radiacin de los elementos del entorno.Se toma con untermmetro de bulbo, que tiene el depsito demercurioencerrado en unaesferaobulbometlico decolornegro, para asemejarlo lo ms posible a uncuerpo negroy as absorber la mxima radiacin. Para anular en lo posible el efecto de la temperatura del aire, el bulbo negro se asla en otro bulbo que se fue hecho alvaco.Las medidas se pueden tomar bajo elsolo bajo sombra. En el primer caso se tendr en cuenta la radiacin solar, y se dar una temperatura bastante ms elevada.Tambin sirve para dar una idea de lasensacin trmica.Latemperatura de bulbo negrohace una funcin parecida, dando la combinacin de la temperatura radiante y la ambiental.TEMPERATURA HMEDATemperatura de bulbo hmedootemperatura hmeda, es la temperatura que da untermmetrobajo sombra, con el bulbo envuelto en unamechadealgodnhmedo bajo una corriente deaire. La corriente de aire se produce mediante un pequeoventiladoro poniendo el termmetro en un molinete y hacindolo girar. Alevaporarseelagua, absorbe calor rebajando la temperatura, efecto que reflejar el termmetro. Cuanto menor sea lahumedad relativadel ambiente, ms rpidamente se evaporar el agua que empapa el pao. Este tipo de medicin se utiliza para dar una idea de lasensacin trmica, o en lospsicrmetrospara calcular lahumedad relativay la temperatura delpunto de roco.

ENERGAINTRODUCCIN:Generacin ytransportedeelectricidades elconjuntodeinstalaciones que se utilizan para transformar otros tipos de energa en electricidad y transportarla hasta los lugares donde se consume. La generacin y transporte de energa en forma de electricidad tiene importantes ventajas econmicas debido alcostopor unidad generada. Las instalaciones elctricas tambin permiten utilizar la energa hidroelctrica a mucha distancia del lugar donde se genera. Estas instalaciones suelen utilizar corriente alterna, ya que es fcil reducir o elevar el voltaje contransformadores. De esta manera, cada parte delsistemapuede funcionar con el voltaje apropiado. Las instalaciones elctricas tienen seis elementos principales:

La central elctrica Los transformadores, que elevan el voltaje de la energa elctrica generada a las altas tensiones utilizadas en las lneas de transporte Las lneas de transporte Las subestaciones donde la seal baja su voltaje para adecuarse a las lneas de distribucin Las lneas de distribucin Los transformadores que bajan el voltaje alvalorutilizado por los consumidores.Enunainstalacinnormal, los generadores de la central elctrica suministran voltajes de 26.000 voltios; voltajes superiores no son adecuados por las dificultades que presenta su aislamiento y por elriesgode cortocircuitos y sus consecuencias. Este voltaje se eleva mediante transformadores a tensiones entre 138.000 y 765.000 voltios para la lnea de transporte primaria (cuanto ms alta es la tensin en la lnea, menor es la corriente y menores son las prdidas, ya que stas son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente). En la subestacin, el voltaje se transforma en tensiones entre 69.000 y 138.000 voltios para que sea posible transferir la electricidad al sistema dedistribucin. La tensin se baja de nuevo con transformadores en cada punto de distribucin. Laindustriapesada suele trabajar a 33.000 voltios (33 kilovoltios), y los trenes elctricos requieren de 15 a 25 kilovoltios. Para su suministro a los consumidores se baja ms la tensin: la industria suele trabajar a tensiones entre 380 y 415 voltios, y las viviendas reciben entre 220 y 240 voltios en algunos pases y entre 110 y 125 en otros.

HISTORIAEn 1900, Max Planck dedujo la frmula para la energa de un "radiador de energa" aislado, i.e. una unidad atmica vibratoria, como:

Aqu, h es la constante de Planck, v es la frecuencia, k es la constante de Boltzmann, y T es la temperatura.En 1913, utilizando esta frmula como base, Albert Einstein y Otto Stern publicaron un artculo de gran importancia donde sugeran por primera vez la existencia de una energa residual que todos los osciladores tienen en el cero absoluto. Llamaron a esto "energa residual", o Nullpunktsenergie (en Alemn), que fue ms tarde traducido como energa del punto cero. Realizaron unos anlisis del calor especfico del gas hidrgeno a baja temperatura, y concluyeron que los datos se representan mejor si la energa vibracional es elegida para que tome la forma:1

Por lo que, de acuerdo a esta expresin, incluso en el cero absoluto la energa de un sistema atmico tiene el valor h2 .CONCEPTO:Al mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las maquinas y herramientas realizan las mas variadas tareas. Todas estas actividades tienen en comn que precisan del concurso de la energa. La energa es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las tranformaciones que ocurran en la naturaleza.La energa se manifiesta en los cambios fsicos, por ejemplo, al elevar un objeto transportarlo, deformarlo o calentarlo.La energa esta presente tambin en los cambios qumicos, como al quemar un trozo de madera o en la compocicion de agua mediante la corriente elctrica.FUNDAMENTOS FISICOS:En fsica clsica, la energa de un sistema es relativa, y se define nicamente en relacin a algn estado dado (a menudo llamado estado de referencia). Tpicamente, uno puede asociar a un sistema sin movimiento una energa cero, aunque hacerlo es puramente arbitrario.En fsica cuntica, es natural asociar la energa con el valor esperado de un cierto operador, el Hamiltoniano del sistema. Para casi todos los sistemas mecano-cunticos, el valor esperado ms bajo posible que este operador puede tener no es cero; a este valor ms bajo posible se le denomina energa del punto cero. (Nota: Si aadimos una constante arbitraria al Hamiltoniano, obtenemos otra teora que es fsicamente equivalente al Hamiltoniano previo. A causa de esto, slo la energa relativa es observable, no la energa absoluta. Sin embargo, esto no cambia el hecho de que el momento mnimo es no nulo).El origen de una energa mnima no nula puede ser intuitivamente comprendido en trminos del principio de indeterminacin de Heisenberg. Este principio establece que la posicin y el momentum de una partcula en mecnica cuntica no pueden ser conocidos con precisin simultneamente. Si la partcula es confinada a un pozo de potencial, entonces su posicin es como mnimo parcialmente conocida: debe estar en el pozo. Por ello, uno puede deducir que en el pozo, la partcula no puede tener momento cero, pues de lo contrario se violara el principio de incertidumbre. Porque la energa cintica de una partcula en movimiento es proporcional al cuadrado de su velocidad, no puede ser cero tampoco. Este ejemplo, sin embargo, no es aplicable a una partcula libre - la energa cintica de la cual si puede ser cero.VARIEDADESLa idea de la energa del punto cero est presente en diferentes situaciones, y es importante distinguirlas, y notar que hay muchos conceptos muy relacionados.En mecnica cuntica ordinaria, la energa del punto cero es la energa asociada con elestado fundamentaldel sistema. El ms famoso ejemplo de este tipo es la energa

asociada con el estado fundamental deloscilador armnico cuntico. Ms exactamente, la energa del punto cero es elvalor esperadodelHamiltonianodel sistema.En teora cuntica de campos, el tejido del espacio se visualiza como si estuviera compuesto decampos, con el campo en cada punto del espacio-tiempo siendo unoscilador armnico simplecuantizado, que interacta con los osciladores vecinos. En este caso, cada uno tiene una contribucin

de cada punto del espacio, resultando en una energa del punto cero tcnicamente infinita. La energa de punto cero es de nuevo el valor esperado del Hamiltoniano; aqu, sin embargo, la frasevalor esperado del vacoes ms comnmente utilizada, y la energa es bautizada comoenerga del vaco.En lateora de perturbacionescuntica, se dice a veces que la contribucin de losdiagramas de Feynmande unbucle nicoy de bucles mltiples alpropagadorde lapartcula elementalson las contribuciones de lasfluctuaciones del vacoo de la energa del punto cero a lamasade las partculas.ENERGA ELCTRICA:La energia electrica es la energia resultante de una diferencia de potencial entre dos puntos y que permite establar una corriente electrica entre los dos, para obtener algun tipo de trabajo,tambinpuede trasformarse en otros tipos deenergaentre las que se encuentranenerga luminosa oluz, laenerga mecnicay laenerga trmica.

RED DE ENERGA ELCTRICAEn una central hidroelctrica,el aguaque cae de una presa hace girar turbinas que impulsan generadores elctricos. La electricidad se transporta a una estacin de transmisin, donde un transformador convierte la corriente de baja tensin en una corriente de alta tensin. La electricidad se transporta por cables de alta tensin a las estaciones de distribucin, donde se reduce la tensin mediante transformadores hasta niveles adecuados para los usuarios. Las lneas primarias pueden transmitir electricidad con tensiones de hasta 500.000 voltios o ms. Las lneas secundarias que van a las viviendas tienen tensiones de 220 o 110 voltios.Eldesarrolloactualde los rectificadores deestadoslido para alta tensin hace posible una conversin econmica de alta tensin decorriente alternaa alta tensin de corriente continua para la distribucin de electricidad. Esto evita las prdidas inductivas y capacitivas que se producen en la transmisin de corriente alterna.Laestacincentralde una instalacin elctrica consta de una mquina motriz, como una turbina decombustin, que mueve un generador elctrico. La mayor parte de la energa elctrica del mundo se genera en centrales trmicas alimentadas con carbn,aceite, energa nuclear ogas; una pequea parte se genera en centrales hidroelctricas, diesel o provistas de otrossistemasde combustin interna.Laslneasdeconduccin se pueden diferenciar segn sufuncinsecundaria en lneas de transporte (altos voltajes) y lneas de distribucin (bajos voltajes). Las primeras se identifican a primera vista por el tamao de las torres o apoyos, la distancia entre conductores, las largas series de platillos de que constan los aisladores y la existencia de una lnea superior de cable ms fino que es la lnea detierra. Las lneas de distribucin, tambin denominadas terciarias, son las ltimas existentes antes de llegar la electricidad al usuario, y reciben aquella denominacin por tratarse de las que distribuyen la electricidad al ltimo eslabn de la cadena.Laslneasdeconduccin de alta tensin suelen estar formadas por cables decobre,aluminiooacerorecubierto de aluminio o cobre. Estos cables estn suspendidos de postes o pilones, altas torres de acero, mediante una sucesin de aislantes de porcelana. Gracias a la utilizacin de cables de acero recubierto y altas torres, la distancia entre stas puede ser mayor, lo que reduce el coste del tendido de las lneas de conduccin; las ms modernas, con tendido en lnea recta, se construyen con menos de cuatro torres por kilmetro. En algunas zonas, las lneas de alta tensin se cuelgan de postes demadera; para las lneas de distribucin, a menor tensin, suelen ser postes de madera, ms adecuados que las torres de acero. En las ciudades y otras reas donde los cables areos son peligrosos se utilizan cables aislados subterrneos. Algunos cables tienen el centro hueco para que circuleaceitea bajapresin. El aceite proporciona una proteccin temporal contra elagua, que podra producir fugas en el cable. Se utilizan con frecuencia tubos rellenos con muchos cables y aceite a alta presin (unas 15atmsferas) para la transmisin de tensiones de hasta 345 kilovoltios.Cualquiersistemadedistribucin de electricidad requiere una serie de equipos suplementarios para proteger los generadores, transformadores y las propias lneas de conduccin. Suelen incluir dispositivos diseados para regular la tensin que se proporciona a los usuarios y corregir el factor depotenciadel sistema.Loscortacircuitosse utilizan para proteger todos los elementos de la instalacin contra cortocircuitos y sobrecargas y para realizar lasoperacionesde conmutacin ordinarias. Estos cortacircuitos son grandes interruptores que se activan de modo automtico cuando ocurre un cortocircuito o cuando una circunstancia anmala produce una subida repentina de la corriente. En el momento en el que este dispositivo interrumpe la corriente se forma un arco elctrico entre sus terminales. Para evitar este arco, los grandes cortacircuitos, como los utilizados para proteger los generadores y las secciones de las lneas de conduccin primarias, estn sumergidos en un lquido aislante, por lo general aceite. Tambin se utilizan campos magnticos para romper el arco. En tiendas, fbricas y viviendas se utilizan pequeos cortacircuitos diferenciales. Los aparatos elctricos tambin incorporan unos cortacircuitos llamados fusibles, consistentes en un alambre de una aleacin de bajo punto defusin; el fusible se introduce en el circuito y se funde si la corriente aumenta por encima de un valor predeterminado.

Fallos del sistema

Enmuchaszonasdelmundo las instalaciones locales onacionalesestn conectadas formandouna red. Estaredde conexiones permite que la electricidad generada en un rea se comparta con otras zonas. Cadaempresaaumenta su capacidad de reserva y comparte el riesgo de apagones.Estasredessonenormes y complejos sistemas compuestos y operados porgruposdiversos. Representan una ventaja econmica pero aumentan el riesgo de un apagn generalizado, ya que si un pequeo cortocircuito se produce en una zona, por sobrecarga en las zonas cercanas se puede transmitir en cadena a todo el pas. Muchos hospitales,edificiospblicos, centros comerciales y otras instalaciones que dependen de la energa elctrica tienen sus propios generadores para eliminar el riesgo de apagones.

Regulacin del voltajeLaslargaslneasdeconduccin presentan inductancia, capacitancia yresistenciaal paso de la corriente elctrica.El efecto de la inductancia y de la capacitancia de la lnea es la variacin de la tensin si vara la corriente, por lo que la tensin suministrada vara con la carga acoplada. Se utilizan muchos tipos de dispositivos para regular esta variacin no deseada. La regulacin de la tensin se consigue con reguladores de lainduccinymotoressncronos de tres fases, tambin llamadoscondensadoressncronos. Ambos varanlos valoreseficaces de la inductancia y la capacitancia en el circuito de transmisin. Ya que la inductancia y la capacitancia tienden a anularse entre s, cuando la carga del circuito tiene mayor reactancia inductiva que capacitiva (lo que suele ocurrir en las grandes instalaciones) la potencia suministrada para una tensin y corriente determinada es menor que si las dos son iguales. La relacin entre esas dos cantidades de potencia se llama factor de potencia. Como las prdidas en las lneas de conduccin son proporcionales a la intensidad de corriente, se aumenta la capacitancia para que el factor de potencia tenga un valor lo ms cercano posible a 1. Por esta razn se suelen instalar grandes condensadores en los sistemas de transmisin de electricidad.

Perdida durante el transporteLa energa se va perdiendo desde la central elctrica hasta cadahogarde la ciudad por: RESISTIVIDAD: Que provoca que la corriente elctrica no llegue con la misma intensidad debido a la oposicin que presenta el conductor al paso de la corriente. La resistencia que ofrece el cable depende de su:-Dimetro o rea de la seccin transversal. La conductividad disminuye al disminuir el grosor del cable (a mayor dimetro, menor nmero del cable)-Material con que est hecho-Longitud. La conductividad de un cable es inversamente proporcional a la longitud y la resistencia es directamente proporcional a la longitud.-Cambios detemperaturaque sufre. Al paso de la corriente, la resistividad se ve incrementada ligeramente al aumentar su temperatura.

CAPACITANCIA: Porque a medida que se transfiera ms carga al conductor, el potencial del conductor se vuelve ms alto, lo que hace ms difcil transferirle ms carga. El conductor tiene una capacitancia determinada para almacenar carga que depende del tamao y forma del conductor, as como de su medio circundante.

ElectricidadLa energa elctrica se ha convertido en parte de nuestra vida diaria. Sin ella, difcilmente podramos imaginarnos los niveles de progreso que el mundo ha alcanzado, pero qu es la electricidad, cmo se produce y cmo llega a nuestros hogares?Ya vimos que la energa puede ser conducida de un lugar o de un objeto a otro (conduccin). Eso mismo ocurre con la electricidad. Es vlido hablar de la "corriente elctrica", pues a travs de un elemento conductor,la energa fluye y llega a nuestras lmparas, televisores, refrigeradores y dems equipos domsticosque la consumen.Tambin conviene tener presente que laenerga elctricaque utilizamos est sujeta a distintosprocesosdegeneracin, transformacin, transmisin y distribucin, ya que no es lo mismo generar electricidad mediante combustibles fsiles que con energa solar o nuclear. Tampoco es lo mismo transmitir la electricidad generada por pequeos sistemas elicos y/o fotovoltaicos que la producida en las grandes hidroelctricas, que debe ser llevada a cientos de kilmetros de distancia y a muy altos voltajes.Peroqu es la electricidad?Toda lamateriaest compuesta por tomos y stos por partculas ms pequeas, una de las cuales es elelectrn. Unmodelomuy utilizado para ilustrar la conformacin deltomo lo representa con los electrones girando entornoal ncleo del tomo, como lo hace la Luna alrededor de la Tierra.

El ncleo del tomo est integrado porneutrones y protones. Los electrones tienen una carga negativa, los protones una carga positiva y los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros: carecen de carga positiva o negativa. (Por cierto, el tomo, segn los antiguosfilsofosgriegos, era la parte ms pequea en que se poda dividir o fraccionar la materia; ahora sabemos que existen partculas subatmicas yla cienciaha descubierto que tambin hay partculas de "antimateria": positrn, antiprotn, etc., que al unirse a las primeras se aniquilan recprocamente).Pues bien, algunos tipos dematerialesestn compuestos por tomos que pierden fcilmente sus electrones, y stos pueden pasar de un tomo a otro. En trminos sencillos, la electricidad no es otra cosa que electrones enmovimiento. As, cuando stos se mueven entre los tomos de la materia, se crea una corriente de electricidad. Es lo que sucede en los cables que llevan la electricidad a su hogar: a travs de ellos van pasando los electrones, y lo hacen casi a lavelocidadde laluz.Sin embargo, es conveniente saber quela electricidad fluye mejor en algunos materiales que en otros.Antes vimos que esto mismo sucede con elcalor, pues en ambos casos hay buenos o malos conductores de la energa. Por ejemplo, la resistencia que un cable ofrece al paso de lacorriente elctricadepende y se mide por su grosor, longitud y el metal de que est hecho. A menor resistencia del cable, mejor ser la conduccin de la electricidad en el mismo.Eloro, la plata, el cobre y el aluminioson excelentes conductores de electricidad. Los dos primeros resultaran demasiado caros para ser utilizados en los millones de kilmetros de lneas elctricas que existen en el planeta; de ah que el cobre sea utilizado ms que cualquier otro metal en lasinstalaciones elctricas.Lafuerzaelctrica que "empuja" los electrones es medida enVoltios. (La primera pila elctrica fue inventada por el cientfico italiano Alejandro Volta, y en su honor se le denomin "Voltio" a esta medida elctrica). EnMxicoutilizamos energa elctrica de 110 voltios en nuestros hogares, pero en la industria y otras actividades se emplean, en ciertos casos, 220 voltios e incluso voltajes superiores para mover maquinaria y grandes equipos. En pases europeos lo normal es el uso de 220 voltios para todos los aparatos elctricos del hogar.As como se miden y se pesan las cosas que usamos o consumimos normalmente, tambin la energa elctrica se mide enWatts-hora. El Watt es una unidad de potencia y equivale a un Joule por segundo. Para efectos prcticos, en nuestrafacturadeconsumode energa elctrica se nos cobra por la cantidad dekiloWatts-hora(kWh) que hayamos consumido durante un periodo determinado (generalmente, dos meses). Un kiloWatt-hora equivale a la energa que consumen: Un foco de 100 watts encendido durante diez horas 10 focos de 100 watts encendidos durante una hora Una plancha utilizada durante una hora Un televisor encendido durante veinte horas Unrefrigeradorpequeo en un da Unacomputadorautilizada un poco ms de 6 horas y mediaRecordemos que "kilo" significa mil, por lo que un "kiloWatt"-hora equivale a mil Watts-hora. En los campos de la generacin y consumo de electricidad, se utilizan los megaWatts (MW), equivalentes a millones de Watts; los gigaWatts (GW), miles de millones; y los teraWatts (TW), billones de Watts).Cmo se genera la electricidad?Hasta aqu hemos visto que la electricidad fluye a travs de los cables, generalmente de cobre o aluminio, hasta llegar a nuestras lmparas, televisores, radios y cualquier otroaparatoque tengamos encasa. Pero cmo se produce la electricidad y de dnde nos llega?Veamos, pues, cmo se genera la electricidad que consumimos en el hogar, pero antes es conveniente sealar que hay variasfuentesque se utilizan para generar electricidad:el movimiento del aguaque corre o cae, elcalorpara producir vapor y mover turbinas, lageotermia(el calor interior dela Tierra), laenerga nuclear(del tomo) y lasenergas renovables: solar, elica(de los vientos) y de labiomasa(lea, carbn, basuray rastrojos del campo).Tambin es importante saber que en Mxico el 75% de la electricidad se genera a base de combustibles fsiles utilizados enplantas o centrales termoelctricas(que producen calor y vapor para mover los generadores), las cuales consumengas natural, combustleo y carbn. (Si la central consume carbn, se le denomina carboelctrica)."Dual"es un trmino que se aplica a lasplantasque pueden consumir indistintamente dos de estos combustibles.

La mayora de las plantas generadoras de electricidad queman alguno de esos combustibles fsiles para producir calor y vapor de agua en una caldera. El vapor es elevado a una gran presin y llevado a unaturbina, la cual est conectada a ungeneradory cuando ste gira,convierte ese movimiento giratorio en electricidad.Despus de que el vapor pasa a travs de la turbina, es llevado a una torre de enfriamiento, donde se condensa y se convierte nuevamente en agua lquida para ser utilizada otra vez en la caldera y repetir elprocesoindefinidamente. (Ver eldiagrama).Existen termoelctricas llamadas de"ciclo combinado"; en ellas, losgasescalientes de la combustin del gas natural que pasaron por la turbina pueden volverse a aprovechar, introducindolos acalderasque generan vapor para mover otra turbina y un segundo generador.En todos los casos, la turbina est unida por su eje al generador, el cual contiene un rotor bobinado que gira dentro de un campo magntico estacionario con espiras (embobinado) de un largo y grueso cable. Cuando giran el eje de la turbina y el magneto que est dentro del generador, se produce una corriente de electricidad en el cable. Por qu? Esto se explica por el llamadoelectromagnetismo, que descrito en trminos sencillos consiste en lo siguiente: cuando un cable o cualquier material conductor de electricidad se mueve a travs de uncampo magntico-cortando lneas de fuerza magnticas-, se produce una corriente elctrica en el cable.Para una mejor comprensin, se puede decir que un generador es como unmotorelctrico, pero al revs: en vez de usar energa elctrica para hacer girar el motor, el eje de la turbina hace girar el motor para producir electricidad. La electricidad producida en el generador alcanza unos 25 mil voltios. En la planta ese voltaje es elevado a 400 mil voltios para que la electricidad pueda viajar a largas distancias a travs de cables de alta tensin y, despus, mediante transformadores que reducen el voltaje, llega a nuestros hogares, escuelas,industrias, comercios, oficinas, etc.Las plantas nucleares utilizan la energa nuclear -del tomo- para producir calor que convierte el agua en el vapor necesario para mover las turbinas y los generadores. Otras plantas aprovechan el agua caliente o el vapor proveniente del interior de la Tierra (geotermia), sin necesidad de emplear combustible fsil o nuclear (uranio).

QU SON LOS SISTEMAS DE TRANSMISIN ELCTRICA?

Uno de los grandesproblemasdela electricidades queno puede almacenarse, sino que debe ser transmitida y utilizada en el momento mismo que se genera. Este problema no queda resuelto con el uso de acumuladores o bateras, como las que utilizan los coches y los sistemas fotovoltaicos, pues slo son capaces de conservar cantidades pequeas de energa y por muy pocotiempo. Conservar la electricidad que producen las grandes plantas hidroelctricas y termoelctricas es un reto para lacienciay latecnologa. En algunos lugares, se aprovechan los excedentes de energa elctrica o laenerga solarpara bombear agua a depsitos o presas situados a cierta altura; el agua despus se utiliza para mover turbinas y generadores, como se hace en las plantas hidroelctricas.En cuanto se produce la electricidad en las plantas, una enorme red de cables tendidos e interconectados a lo largo y ancho del pas, se encargan de hacerla llegar, casi instantneamente, a todos los lugares de consumo: hogares, fbricas, talleres, comercios, oficinas, etc. Miles de trabajadores vigilan da y noche que no se produzcan fallas en elservicio; cuando stas ocurren, acuden, a la brevedad posible, a reparar las lneas para restablecer la energa. A tal efecto, hay centros de monitoreo, estratgicamente situados, para mantener una vigilancia permanente en toda la red. A veces, los vientos, las lluvias y los rayos, entre otras causas, afectan las lneas de transmisin, las cuales deben ser revisadas y reparadas por los tcnicos, ya sea en las ciudades o en el campo.Ya vimos que cada uno de los generadores de las plantas hidroelctricas y termoelctricas produce electricidad de unos 25 mil voltios. ( Recuerde que el Voltio es la medida de la fuerza con que fluye la electricidad y debe su nombre a Alejandro Volta, un cientfico italiano que invent la primera pila elctrica). Ese voltaje inicial es elevado, en las propias instalaciones de la planta, hasta unos 400 mil voltios, pues la energa elctrica puede ser transmitida con una mayoreficienciaa altos voltajes. Es as como viaja por cables de alta tensin y torres que los sostienen, a lo largo de cientos de kilmetros, hasta los lugares donde ser consumida.Del estado deChiapasa la ciudad de Mxico un avin comercial tarda ms de una hora en llegar. La electricidad cubre ese trayecto en una fraccin de segundo, pues viaja prcticamente a la velocidad de la luz. Antes de llegar a nuestros hogares, oficinas, fbricas, talleres y comercios, el voltaje es reducido en subestaciones y mediante transformadores cercanos a los lugares de consumo. En las ciudades, el cableado elctrico puede ser areo o subterrneo. Para hacer llegar la electricidad a islas pobladas, se utilizan cables submarinos.Cuando la electricidad entra a nuestra casa, pasa por un medidor. La "lectura" del medidor generalmente la efecta (cada dos meses) un empleado de la compaa que nos proporciona el servicio elctrico en nuestro hogar,oficina, taller, etc. El medidormarcala cantidad de kiloWatts-hora que consumimos cada da eniluminacin,refrigeracin,aireacondicionado,televisin,radio, etc. Es importante que usted tambin conozca cmo hacer la "lectura" de su medidor y losdatosque contiene su factura por consumo de electricidad.

ENERGA NUCLEAR:Estaenergaes la liberada del resultado de una reaccin nuclear, se puede obtener mediante dos tipos de procesos, el primero es por Fusin Nuclear(unin de ncleos atmicos muy livianos) y el segundo es por Fisin Nuclear(divisin de ncleos atmicos pesados).En las reacciones nucleares se suele liberar una grandisima cantidad deenergadebido en parte a la masa departculasinvolucradasen este proceso,se transforma directamente en energa.Lo anterior se suele explicar basndose en la relacin Masa-Energaproductode la genialidad del gran fsicoAlbert Einstein.

FISIN NUCLEARLa fisin nuclear es una de las dos reacciones posibles que se producen cuando trabajamos con energa nuclear.En energa nuclear llamamos fisin nuclear a la divisin del ncleo de un tomo. El ncleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original ms dos o tres neutrones.La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta 'falta' de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la masa original) se ha convertido en energa segn la ecuacin de Einstein (E=mc2). En esta ecuacin E corresponde a la energa obtenida, m a la masa de la que hablamos y c s una constante, la de la velocidad de la luz: 299.792.458 m/s2. Con este valor de la constante c ya se puede ver que por poca unidad de masa que extraigamos en una fisin nuclear obtendremos grandes cantidades de energa (ver ladefinicin de energa).La fisin nuclear puede ocurrir cuando un ncleo de un tomo pesado captura un neutrn, o puede ocurrir espontneamente.REACCIONES NUCLEARES EN CADENAUna reaccin en cadena se refiere a un proceso en el que los neutrones liberados en la fisinproduce una fisin adicional en al menos un ncleo ms. Este ncleo, a su vez produce neutrones, y el proceso se repite. El proceso puede ser controlado (energa nuclear) o incontrolada (armas nucleares).Si en cada fisin provocada por un neutrn se liberan dos neutrones ms, entonces el nmero de fisiones se duplica en cada generacin. En este caso, en 10 generaciones hay 1.024 fisiones y en 80 generaciones aproximadamente 6 x 1023 fisiones.ENERGA LIBERADA POR CADA FISIN NUCLEAR165 MeV ~ Energa cintica de los productos de fisin7 MeV ~ Rayos gamma6 MeV ~ Energa cintica de los neutrones7 MeV ~ Energa a partir de productos de fisin6 MeV ~ Rayos gama de productos de fisin9 MeV ~ Anti-neutrinos de los productos de fisin200 MeV1 MeV (millones de electrn-voltios) = 1,609 x 10-13 JouleMASA CRTICAAunque en cada fisin nuclear se producen entre dos y tres neutrones, no todos neutrones estn disponibles para continuar con la reaccin de fisin. Si las condiciones son tales que los neutrones se pierden a un ritmo ms rpido de lo que se forman por la fisin, los que se produzcan en la reaccin en cadena no sern autosuficientes.La masa crtica es el punto donde la reaccin en cadena puede llegar a ser autosostenible. En una bomba atmica, por ejemplo, la masa de materias fisionables es mayor que la masa crtica. La cantidad de masa crtica de un material fisionable depende de varios factores, la forma del material, su composicin y densidad, y el nivel de pureza. Una esfera tiene la superficie mnima posible para una masa dada, y por tanto, reduce al mnimo la fuga de neutrones. Bordeando el material fisionable con un neutrn adecuado "Reflector", la prdida de neutrones pueden reducirse y la masa crtica puede ser reducida.LA FISIN NUCLEAR CONTROLADAPara mantener un control sostenido de reaccin nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestos en libertad, slo a uno se le debe permitir dar a otro ncleo de uranio. Si esta relacin es inferior a uno entonces la reaccin va a morir, y si es ms grande va a crecer sin control (una explosin atmica). Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reaccin debe estar presente un elemento de absorcin de neutrones. La mayora de los reactores son controlados por medio de barras de control hechas de neutrones de un fuerte material absorbente, como el boro o el cadmio.Adems de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen mucha energa cintica (se mueven a gran velocidad). Estos neutrones rpidos se reducen a travs del uso de un moderador, como el agua pesada y el agua corriente. Algunos reactores utilizan grafito como moderador, pero este diseo tiene varios problemas. Una vez que los neutrones rpidos se han desacelerado, son ms propensos a producir msfisiones nucleares o ser absorbidos por la barra de control.POR QU SE USA URANIO Y EL PLUTONIO?Los cientficos saban que el istopo ms comn, el uranio 238. Hay una probabilidad bastante alta de que un neutrn incidente sea capturado para formar uranio 239 en lugar de causar una fisin. Sin embargo, eluranio 235 tiene una probabilidad de fisin ms alta.Del uranio natural, slo el 0,7% es de uranio 235. Esto significa que se necesita una gran cantidad deuranio para obtener la cantidad necesaria de uranio 235. Adems, el uranio 235 no se pueden separar qumicamente del uranio 238, ya que los istopos son qumicamente similares.Los mtodos alternativos tuvieron que desarrollarse para separar los istopos.El plutonio 239 tiene una probabilidad alta de fisin. Sin embargo, el plutonio 239 no es un elemento natural y debera hacerse.Se trata de los materiales ms usados en las centrales de energa nuclear.FISIN NUCLEAR ESPONTNEALa tasa de la fisin nuclear espontnea es la probabilidad por segundo que un tomo dado se fisione de forma espontnea - es decir, sin ninguna intervencin externa. El plutonio 239 tiene una muy alta tasa de fisin espontnea en comparacin con la tasa de fisin espontnea de uranio 235.ENERGA DEL PUNTO CEROLa energa del punto cero es en fsica la energa ms baja que un sistema fsico mecano-cuntico puede poseer, y es la energa del estado fundamental del sistema. El concepto de la energa del punto cero fue propuesto por Albert Einstein y Otto Stern en 1913, y fue llamada en un principio "energa residual". La expresin es una traduccin del alemn Nullpunktsenergie. Todos los sistemas mecano-cunticos tienen energa de punto cero. La expresin surge como referencia al estado base del Oscilador armnico cuntico y sus oscilaciones nulas[cita requerida]. En la teora de campos cuntica, es un sinnimo de la energa del vaco o de la energa oscura, una cantidad de energa que se asocia con la vacuidad del espacio vaco. En cosmologa, la energa del vaco es tomada como la base para la constante cosmolgica. A nivel experimental, la energa del punto cero genera el efecto Casimir, y es directamente observable en dispositivos Nanomtricos.Debido a que la energa del punto cero es la energa ms baja que un sistema puede tener, no puede ser eliminada de dicho sistema. Un trmino relacionado es el campo del punto cero que es el estado de energa ms bajo para un campo, su estado base, que no es cero.Pese a la definicin, el concepto de energa del punto cero y la posibilidad de extraer "energa gratuita" del vaco han atrado la atencin de inventores independientes

ENERGA OSCURAEncosmologa fsica, laenerga oscuraes una forma demateria oscuraoenerga que estara presente en todo el espacio, produciendo una presin que tiende a acelerar laexpansin del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Considerar la existencia de la energa oscura es la manera ms frecuente de explicar las observaciones recientes de que el Universo parece estar enexpansinacelerada. En elmodelo estndar de la cosmologa, la energa oscura aporta casi tres cuartas partes de la masa-energa total del Universo.Temas relacionados con la energa oscura son laconstante cosmolgica, una energa de densidad constante que llena el espacio en forma homognea,laTeora cuntica de camposy laquintaesencia, como campos dinmicos cuya densidad de energa puede variar en el tiempo y el espacio. De hecho, las contribuciones de los campos escalares que son constantes en el espacio normalmente tambin se incluyen en la constante cosmolgica. Se piensa que la constante cosmolgica se origina en laenerga del vaco. Los campos escalares que cambian con el espacio son difciles de distinguir de una constante cosmolgica porque los cambios pueden ser extremadamente lentos.Para distinguir entre ambas se necesitan mediciones muy precisas de la expansin del Universo, para ver si la velocidad de expansin cambia con el tiempo. La tasa de expansin est parametrizada por laecuacin de estado. La medicin de la ecuacin estado de la energa oscura es uno de los mayores retos de investigacin actual de la cosmologa fsica.Aadir la constante cosmolgica a laMtrica de Friedman-Lematre-Robertson-Walker(FLRW) conduce almodelo Lambda-CDM, que se conoce como "modelo estndar" de cosmologa debido a su coincidencia precisa con las observaciones.No se debe confundir la energa oscura con lamateria oscura, ya que, aunque ambas forman la mayor parte de la masa del Universo, la materia oscura es una forma de materia, mientras que la energa oscura se asocia a un campo que ocupa todo el espacio.Informacin divulgada recientemente basada en el trabajo realizado por lanave espacial Plancksobre la distribucin del universo, obtuvo una estimacin ms precisa de esta en 68,3% de energa oscura, un 26,8% de materia oscura y un 4,9% de materia ordinaria.

ENERGA SOLAR O LUMNICA:

Principio de funcionamiento:

La conversin fotovoltaica se basa en el efecto fotoelctrico, es decir, en la conversin de la energa lumnica proveniente del sol en energa elctrica. Para llevar a cabo esta conversin se utilizan unos dispositivos denominados clulas solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se ha creado un campo elctrico constante. El material ms utilizado es el Silicio Estas clulas conectadas en serie o paralelo forman un panel solar encargado de suministrar la tensin y la corriente que se ajuste a la demandaAplicacionesEn una primera gran divisin las instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar en dos grandes grupos: Instalaciones aisladas de la red elctrica. Instalaciones conectadas a la red elctrica.En el primer tipo, la energa generada a partir de la conversin fotovoltica se utiliza para cubrir pequeos consumos elctricos en el mismo lugar donde se produce la demanda. Es el caso de aplicaciones como la electrificacin de:- viviendas alejadas de la red elctrica convencional, bsicamente electrificacin rural- servicios y alumbrado pblico: iluminacin pblica mediante farolas autnomas de parques, calles, monumentos, paradas de autobuses, refugios de montaa, alumbrado de vallas publicitarias, etc. Con la alimentacin fotovoltaica de luminarias se evita la realizacin de zanjas, canalizaciones, necesidad de adquirir derechos de paso, conexin a red elctrica, etc.- aplicaciones agrcolas y de ganado: bombeo de agua, sistemas de riego, iluminacin de invernaderos y granjas, suministro a sistemas de ordeo, refrigeracin, depuracin de aguas, etc.;- sealizacin y comunicaciones: navegacin area (seales de altura, sealizacin de pistas) y martima (faros, boyas), sealizacin de carreteras, vas de ferrocarril, repetidores y reemisores de radio y televisin y telefona, cabinas telefnicas aisladas con recepcin a travs de satlite o de repetidores, sistemas remotos de control y medida, estaciones de tomas de datos, equipos sismolgicos, estaciones metereolgicas, dispositivos de sealizacin y alarma, etc. El balizamiento es una de las aplicaciones ms extendida, lo que demuestra la alta fiabilidad de estos equipos. Por su parte, en las instalaciones repetidoras, su ubicacin generalmente en zonas de difcil acceso obligaban a frecuentes visitas para hacer el cambio de acumuladores y la vida media de stos se vea limitada al trabajar con ciclos de descarga muy acentuados.

En cuanto a las instalaciones conectadas a la red se pueden encontrar dos casos: centrales fotovoltaicas, (en las que la energa elctrica generada se entrega directamente a la red elctrica, como en otra central convencional de generacin elctrica) y sistemas fotovoltaicos en edificios o industrias, conectados a la red elctrica, en los que una parte de la energa generada se invierte en el mismo autoconsumo del edificio, mientras que la energa excedente se entrega a la red elctrica. Tambin es posible entregar toda la energa a la red; el usuario recibir entonces la energa elctrica de la red, de la misma manera que cualquier otro abonado al suministro.

Ventajas Al no producirse nngn tipo de combustin, no se generan contaminantes atmosfricos en el punto de utilizacin, ni se producen efectos como la lluvia cida, efecto invernadero por CO2, etc. El Silicio, elemento base para la fabricacin de las clulas fotovoltaicas, es muy abundante, no siendo necesario explotar yacimientos de forma intensiva. Al ser una energa fundamentalmente de mbito local, evita pistas, cables, postes, no se requieren grandes tendidos elctricos, y su impacto visual es reducido.Tampoco tiene unos requerimientos de suelo necesario excesivamente grandes (1kWp puede ocupar entre 10 y 15 m2). Prcticamente se produce la energa con ausencia total de ruidos. Adems, no precisa ningn suministro exterior (combustible) ni presencia relevante de otros tipos de recursos (agua, viento).

Inconvenientes Impacto en el proceso de fabricacin de las placas:Extraccin del Silicio, fabricacin de las clulas Explotaciones conectadas a red: Necesidad de grandes extensiones de terreno Impacto visual

Barreras para su desarrollo De carcter administrativo y legislativo: Falta de normativa sobre la conexin a la red De carcter inversor: Inversiones iniciales elevadas De carcter tecnolgico: Necesidad de nuevos desarrollos tecnolgicos De carcter social: Falta de informacin

EL CALORI. CONCEPTO:Calor, en fsica, transferencia de energa de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energa en trnsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energa no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo. II. HISTORIA:Hasta principios del siglo XIX, el efecto del calor sobre la temperatura de un cuerpo se explicaba postulando la existencia de una sustancia o forma de materia invisible, denominada calrico. Segn la teora del calrico, un cuerpo de temperatura alta contiene ms calrico que otro de temperatura baja; el primero cede parte del calrico al segundo al ponerse en contacto ambos cuerpos, con lo que aumenta la temperatura de dicho cuerpo y disminuye la suya propia. Aunque la teora del calrico explicaba algunos fenmenos de la transferencia de calor, las pruebas experimentales presentadas por el fsico britnico Benjamin Thompson en 1798 y por el qumico britnico Humphry Davy en 1799 sugeran que el calor, igual que el trabajo, corresponde a energa en trnsito (proceso de intercambio de energa). Entre 1840 y 1849, el fsico britnico James Prescott Joule, en una serie de experimentos muy precisos, demostr de forma concluyente que el calor es una transferencia de energa y que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo.

III. UNIDADES DE CALOR:En las ciencias fsicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energa y el trabajo, es decir, en julios. Otra unidad es la calora, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmsfera de presin desde 15 hasta 16 C. Esta unidad se denomina a veces calora pequea o calora gramo para distinguirla de la calora grande, o kilocalora, que equivale a 1.000 caloras y se emplea en nutricin. La energa mecnica se puede convertir en calor a travs del rozamiento, y el trabajo mecnico necesario para producir 1 calora se conoce como equivalente mecnico del calor. A una calora le corresponden 4,1855 julios. Segn la ley de conservacin de la energa, todo el trabajo mecnico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energa en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un experimento clsico: calent agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y hall que el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas. Cuando el calor se convierte en energa mecnica, como en un motor de combustin interna, la ley de conservacin de la energa tambin es vlida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energa en forma de calor porque ningn motor tiene una eficiencia perfecta. Vase Caballo de vapor.

IV. CALOR LATENTE:El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios fsicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 C constituye una importante excepcin a esta regla (vase Hielo). Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser slido, lquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas (vase Regla de las fases). El paso de slido a gas se denomina sublimacin, de slido a lquido fusin, y de lquido a vapor vaporizacin. Si la presin es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimacin, fusin y vaporizacin (vase Destilacin; Evaporacin). Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presin de 1 atmsfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energa en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energa vuelve a liberarse (vase Condensacin). Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partculas de hielo, y se almacena como energa en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a 100 C, hacen falta 129.000 julios.

V. CALOR ESPECFICO: La cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia se conoce como calor especfico. Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presin, se habla de calor especfico a volumen constante o a presin constante. En todas las sustancias, el primero siempre es menor o igual que el segundo. El calor especfico del agua a 15 C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado Celsius. En el caso del agua y de otras sustancias prcticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores especficos a volumen constante y presin constante ya que son aproximadamente iguales. Generalmente, los dos calores especficos de una sustancia dependen de la temperatura. Cespecifico = Ce = msustanciaQ TVI. TRANSFERENCIA DE CALOR: Los procesos fsicos por los que se produce la transferencia de calor son la conduccin y la radiacin. Un tercer proceso, que tambin implica el movimiento de materia, se denomina conveccin. La conduccin requiere contacto fsico entre los cuerpos o las partes de un cuerpo que intercambian calor, pero en la radiacin no hace falta que los cuerpos estn en contacto ni que haya materia entre ellos. La conveccin se produce a travs del movimiento de un lquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente. A)Conduccin:

Caso Estacionario y Unidimensional:Siempre que existe un gradiente de temperaturas en un medio slido, el calor fluir desde la regin con mayor temperatura a la regin con menor temperatura. La Ley de Fourier indica que potencia calorfica que se transfiere por conduccin qk es proporcional al gradiente de temperatura y rea a travs de la cual se transfiere el calor:

donde k es la constante de proporcionalidad llamada conductividad trmica y refleja las propiedades conductoras del material; el signo negativo indica que cuando la temperatura aumenta con la posicin, el calor fluye hacia regiones de menor temperatura.La figura 1a muestra esta situacin en un sistema donde las paredes paralelas al plano (y,z), separadas una distancia L, se encuentran a temperaturas T1 y T2 > T1 conocidas. El calor fluir en la direccin x (porque no existe gradiente de temperaturas en las otras direcciones) y puede expresarse como:

Siempre que la conductividad trmica k sea constante a lo ancho del material. Observando esta ecuacin se puede definir un circuito trmico (fig.1b) que permita representar al sistema como una resistencia trmica con el flujo de calor anlogo a la corriente elctrica y la diferencia de temperaturas anloga a la diferencia de potencial. Dicho circuito verificar una ley que, a semejanza de la ley de Ohm, expresa: Donde Rk es la resistencia trmica del sistema. El modelo aqu expuesto tiene ciertas limitaciones que hay que tener en cuenta:

Estamos estudiando un caso estacionario, donde las temperaturas no varan en el tiempo. Ms adelante estudiaremos, aplicando el primer principio de la termodinmica, que la transferencia desde o hacia el sistema, provoca cambios de temperatura en el sistema. La resistencia trmica calculada en la ecuacin (3), al igual que la ley de Fourier (1) y la relacin entre calor y temperatura de la ecuacin (2), responde a una geometra particularmente sencilla. Ms adelante, veremos la ecuacin de conduccin en su forma ms analtica y observaremos que estas ecuaciones pueden generalizarse para otras geometras, siempre que el problema sea estacionario.

Habiendo sealado las limitantes de esta representacin del problema de la conductividad en forma de circuito trmico, hacemos notar que, de todas formas es til puesto que permite calcular rpidamente cul es el calor que fluye a travs de materiales que se colocan en serie o paralelo (fig. 2a y fig, 2b,

RESISTENCIA DE CONTACTO.

Cuando dos diferentes superficies conductoras se ponen en contacto (fig.3), se presenta una resistencia adicional: la resistencia de contacto. Como las superficies no son perfectamente pulidas, en medio de ellas siempre existir una pequea capa de aire que provoca una cada de la temperatura adicional. Esa cada de temperatura se representa, tambin como una nueva resistencia en el circuito trmico. Suponga que el sistema de la figura 3 representa las distintas etapas de disipacin de potencia de un circuito electrnico (chip) cuya temperatura de operacin est representada por T2. Si la temperatura T1 es fija y se conoce la cantidad de calor qk que disipa el chip, la existencia de una resistencia de contacto, provoca el aumento de la resistencia trmica del sistema y por lo tanto el aumento de la temperatura T2. Para evitar este inconveniente, entre el chip y el disipador, entre las diferentes etapas de disipacin, se coloca una resina conductora que disminuye la resistencia de contacto y por lo tanto la cada de temperatura (T2 T1) que ella produce.

B) Conveccin

La conveccin es el proceso de transferencia de calor que interviene cuando entran en contacto un fluido y un slido. El fluido puede moverse sobre la superficie impulsado por una fuerza externa (por ejemplo un ventilador) en cuyo caso se trata de una conveccin forzada, o puede simplemente alejarse de la superficie impulsado por una diferencia de presiones, en cuyo caso se trata de la conveccin natural. Tanto en la conveccin forzada como en la natural, actan dos mecanismos. Suponiendo que el slido est a mayor temperatura que el fluido el mecanismo que se observa en la interfase entre ambos es el de conduccin: las molculas de la superficie slida transmiten energa cintica a las molculas del fluido que se encuentran cerca de la interfase y la transferencia de calor verifica la ecuacin (1), evaluada en la interfase:

El segundo mecanismo de transferencia de calor, involucra el movimiento macroscpico de fracciones de fluido cuyas molculas arrastran el calor a regiones alejadas de la superficie y que se encuentran a temperaturas ms bajas.Tomando en cuenta ambos mecanismo, la potencia calorfica que se transfiere por conveccin es proporcional al rea de contacto entre el slido y el fluido y a la diferencia de temperaturas de la superficie Ts y la del fluido en un punto alejado de esa superficie T.

siendo h la constante de proporcionalidad, llamado coeficiente de conveccin.Es importante sealar que la expresin (5) es una expresin fenomenolgica que, planteada por Newton en 1701, se sigue usando hasta nuestros das. El valor de h depende de la velocidad del fluido, de la forma de la superficie, de las propiedades fsicas del fluido. Por el momento, se advierte que, dado el coeficiente h, se puede definir una resistencia trmica de conveccin:

/

Esa resistencia trmica completa un circuito trmico equivalente para el problema de la disipacin de potencia desde un chip, dado que un disipador siempre presenta una superficie expuesta al aire del ambiente.

Conveccin forzada. (Anlisis Cualitativo).

Las relaciones (5) y (6) presentan limitaciones en su aplicacin. En la figura 4 se observa una superficie a temperatura Ts > T por encima de la cual circula una corriente de aire provocada por un ventilador y que le imprime velocidad u, paralela a la superficie. Debido a la viscosidad del aire, la corriente al ingresar a la zona donde est la superficie no puede tener la velocidad u en toda la regin puesto que, particularmente sobre la superficie y al estar sta quieta, la velocidad del aire tambin debe ser nula. Del mismo modo, si la temperatura del aire es T en regiones alejadas de la superficie, esta temperatura no puede mantenerse en regiones cercanas a la superficie donde la temperatura esTs > T.Estas condiciones de borde, impuestas por la presencia de la superficie a enfriar generan una zona llamada capa lmite, entre la superficie y una lnea imaginaria donde se conoce que la velocidad y la temperatura del fluido coinciden con u y T, respectivamente. En la figura 5 se dibuja el lmite de la capa lmite en el caso en que la superficie que disipa calor por conveccin cumple con la hiptesis de flujo libre: ms all de la capa lmite, el fluido tiene velocidad y temperatura u y T por lo que la relacin fenomenolgica (5) es vlida. Pero si la superficie(como se observa en la figura inferior, la superficie a enfriar estuviera cerca de otra superficie a la temperatura Ts, una amplia regin entre ambas jams alcanzara la temperatura T y ya no se podra calcular la transferencia de calor por conveccin como proporcional a (Ts - T).

Conveccin Natural (Anlisis muy cualitativo).

An cuando no existe una fuerza externa que imprima una velocidad al fluido, puede observarse un gradiente de temperaturas cerca de la superficie que se encuentra a temperatura Ts > T, de similares caractersticas al descrito en la seccin anterior. A travs de la definicin de coeficiente de dilatacin trmica del fluido, puede observarse que la densidad del fluido ( = 1/v ) disminuye con el aumento de la temperatura porque el coeficiente es siempre positivo:

donde es la densidad del fluido que se encuentra lejos de la superficie y est a temperatura T, mientras es la densidad del fluido a otra temperatura T, en algn punto de la regin cercana a la superficie.Observaremos que, debido a esta variacin de la densidad, existe una fuerza ascendente sobre el fluido y por lo tanto existir una velocidad media ascendente ya no impuesta sino, natural. Dicha velocidad tendr un rol muy similar al de la velocidad impuesta en el proceso de conveccin forzada slo si es paralela a la superficie a ser enfriada, o sea slo si la superficie est inclinada o es vertical, como se muestra en la figura 6.

Cualitativamente, en la figura 6 se observa que una porcin de aire con densidad que se encuentra afuera de la capa lmite, tiende a desplazarse hacia regiones interiores a la capa lmite, porque estn a mayor temperatura y son menos densas. Cuantitativamente, determinaremos la aceleracin que sufre la una porcin de aire que se encuentra cerca del borde externo de la capa lmite.Cuando una columna de aire est en equilibrio (no actan fuerzas sobre ella), se observa que la presin vara con la altura de la columna de acuerdo a la siguiente relacin:

Una porcin de fluido que se encuentra cerca del borde externo de la capa lmite, no est en equilibrio. Sin embargo, su gradiente de presiones se aproxima por la ecuacin (8) (aproximacin de Boussinesq, que supone una densidad hidrosttica constante). Sustituyendo esa ecuacin en (9) y dividiendo entre la densidad del fluido en cuestin, se obtiene:

donde la ltima igualdad surge de considerar que el coeficiente puede calcularse para un gas ideal (Pv = RT = 1/T ) y es constante por lo que se evala a temperatura T, lejos de la superficie.

C). RadiacinTodos los cuerpos que se encuentran a una temperatura T > 0 K, emiten radiacin trmica que es transportada por ondas electromagnticas de diferentes frecuencias o longitudes de onda (c = ). Del mismo modo, todos los cuerpos absorben radiacin trmica de los alrededores o de otros cuerpos que se encuentran a temperatura T T. La combinacin de estos dos fenmenos determina la transferencia de calor por radiacin, nico mecanismo de transferencia de calor que no necesita de un medio fsico.

Radiacin de un cuerpo negro. La teora que permite modelar la potencia emitida por un cuerpo a temperatura T, se relaciona estrechamente con la radiacin de un cuerpo negro (B). Un cuerpo negro es una cavidad que emite radiacin por un pequeo orificio, de acuerdo a la siguiente ley.

Esta relacin (que se demuestra con argumentos estadsticos, fuera del alcance de este curso), fue determinada por Planck en 1900 e indica cmo es la potencia emitida por unidad de rea de un cuerpo negro que se encuentra a temperatura T y en determinada longitud de onda, razn por la cual se la conoce como potencia espectral emitida: En la figura 9 se grafica esta relacin para cuerpos negros a diferentes temperaturas. En la figura 9, tambin se observa que, a determinada temperatura, existe un mximo en la potencia espectral emitida. La longitud de onda y la intensidad de ese mximo vara con la temperatura del cuerpo. La longitud de onda max para la cual la potencia espectral es mxima, se determina fcilmente, derivando la expresin (12), respecto de la longitud de onda.

La potencia emitida por unidad de area, se determina integrando la expresin (12) en todas las longitudes de onda del espectro:

EMISIN DE UN CUERPO REAL.

La teora que permite modelar la potencia emitida por parte que un cuerpo real, es similar a la del cuerpo negro, excepto que para el cuerpo real, se agrega un factor (0< T), el primer principio de la termodinmica indica que el sistema pierde calor. Y por lo tanto la potencia neta transmitida por radiacin ser:

donde A es el rea del cuerpo que disipa calor (qr