ENERGÍA Y FUENTES DE ENERGÍA
 

1. ¿Qué es la energía?
La energía es una magnitud física que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para producir trabajo mecánico, emitir luz, generar calor, etc.  En todas estas manifestaciones hay un sustrato común, al que llamamos energía, que es propio de cada cuerpo (o sistema material) según su estado físico-químico, y cuyo contenido varía cuando este estado se modifica.

En física la energía es uno de los conceptos básicos debido a su propiedad fundamental: La energía total de un sistema aislado se mantiene constante.  Por tanto en el universo no puede existir creación o desaparición de energía, sino transferencia de un sistema a otro o transformación de energía de una forma a otra.

La energía es, por lo tanto, una magnitud física que puede manifestarse de distintas formas: potencial, cinética, química, eléctrica, magnética, nuclear, radiante, etc., existiendo la posibilidad de que se transformen entre sí pero respetando siempre el principio de la conservación de la energía.

 

2. ¿Qué unidades se usan para medir la energía?
Si la energía que posee un cuerpo se pone de manifiesto realizando un trabajo, el valor de este trabajo será una medida de la energía que posee.  Si por el contrario hemos realizado un trabajo sobre un cuerpo y éste lo ha almacenado en forma de energía, la medida del trabajo realizado sobre el cuerpo nos dará el valor de la energía que permanece de forma latente en el cuerpo.  Por todo ello la energía liberada o acumulada tendrá las mismas unidades que la magnitud trabajo.

En el Sistema internacional de unidades (SI) la unidad de trabajo y de energía es el julio (J) definido como el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton cuando desplaza su punto de aplicación 1 metro.

En física nuclear se utiliza como unidad el electronvoltio (eV) definido como la energía que adquiere un electrón al pasar de un punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial de 1 voltio.

Su relación con la unidad del SI es:

1 eV = 1,602 x 10-19 J

Para la energía eléctrica se emplea como unidad de producción el kilovatio-hora (kW - h)* definido como el trabajo realizado durante 1 hora por una máquina que tiene una potencia de 1 kilovatio.

Su equivalencia con la unidad del SI es:

1 kWh = 36 x 105 J

Para poder evaluar la calidad energética de las distintas fuentes de energía se establecen unas unidades basadas en el poder calorífico de cada una de ellas. Las más utilizadas en economía energética son kcal/kg, tec y tep.

  • kcal/kg aplicada a un combustible nos indica el número de kilocalorías que obtendríamos en la combustión de 1 kg de ese combustible.
  • 1 kcal = 4,186 x 103 J
  • tec: tonelada equivalente de carbón.  Representa la energía liberada por la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla).
  • 1 tec = 29,3 x 109 J
  • tep: tonelada equivalente de petróleo.  Equivale a la energía liberada en la combustión de 1 tonelada de crudo de petróleo.
  • 1 tep = 41,84 x 109 J

    Relación entre estas unidades:

    1 tep = 1,428 tec
     

    3. ¿Qué es la potencia?
    Al trabajo realizado por un sistema en la unidad de tiempo se le llama potencia.  Su unidad en el sistema internacional (SI) es el vatio, definido como la potencia de una máquina que realiza el trabajo de 1 julio en el tiempo de 1 segundo.  Su símbolo es W Con frecuencia se utilizan múltiples de esta unidad.
    Son el kilovatio (kW) y el caballo de vapor (CV ó HP)
    1 kW = 103 W
    1 CV ó HP = 735,5 W
    1 MeV · s-1 = 1,602 X 10-13 W
     

    4. ¿Cómo se clasifican las fuentes de energía?
    Para clasificar las distintas fuentes de energía se pueden utilizar varios criterios:
    a) Según sean o no renovables.

    b) Según la incidencia que tengan en la economía del país.

    c) Según sea su utilización.

    a) Llamaremos fuentes de energía renovables a aquéllas cuyo potencial es inagotable por provenir de la energía que llega a nuestro planeta de forma continua como consecuencia de la radiación solar o de la atracción gravitatoria de otros planetas de nuestro sistema solar.  Son la energía solar, eólica, hidráulica, maremotriz y la biomasa.

    Las fuentes de energía no renovables son aquéllas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza.  No se renuevan a corto plazo y por eso se agotan cuando se utilizan.  La demanda mundial de energía en la actualidad se satisface fundamentalmente con este tipo de fuentes.  Los más comunes son carbón, petróleo, gas natural, uranio e hidrógeno (éstas utilizadas en fisión y fusión nuclear respectivamente).

    b) Si atendemos al segundo criterio de clasificación, llamaremos fuentes de energía convencionales a aquéllas que tienen una participación importante en los balances energéticos de los países industrializados.  Es el caso del carbón, petróleo, gas natural, hidráulica, nuclear.

    Por el contrario se llaman fuentes de energía no convencionales, o nuevas fuentes de energía, a las que por estar en una etapa de desarrollo tecnológico en cuanto a su utilización generalizada, no cuentan con participación apreciable en la cobertura de la demanda energética de esos países.  Es el caso de la energía solar, eólica, maremotriz y biomasa.

    c) Según sea su utilización las fuentes de energía las podemos clasificar en primarias y secundarias.  Las primarias son las que se obtienen directamente de la naturaleza, como ejemplo tenemos el carbón, petróleo, gas natural.  Es una energía acumulada.  Las secundarias, llamadas también útiles o fínales, se obtienen a partir de las primarias mediante un proceso de transformación por medios técnicos.  Es el caso de la electricidad o de los combustibles.

     

    5. Qué es la energía hidráulica y cómo se aprovecha?
    Podemos considerar la energía hidráulica como la energía que se obtiene a partir del agua de los ríos.  Es una fuente de energía renovable.

    De forma indirecta tiene al Sol como origen.  El calor evapora el agua de los mares formando las nubes, que a su vez se transformarán en lluvia o en nieve, asegurando así la perennidad del ciclo.

    El mayor aprovechamiento de esta energía se realiza en los saltos de agua de las presas.  El agua se encuentra generalmente retenida en los embalses o pantanos.  Estos son unos grandes depósitos que se forman, generalmente, de manera artificial, cerrando la boca de un valle mediante un dique o presa en el que quedan retenidas las aguas de un río.  Esta agua almacenada puede ser utilizada posteriormente para el riego, abastecimiento de poblaciones o para la producción de energía eléctrica en una central hidroeléctrica.

    La mayoría de las presas hidráulicas se destinan a la producción de energía eléctrica.  Los países con gran potencial hidráulico obtienen la mayor parte de la electricidad en centrales hidráulicas por sus grandes ventajas, entre ellas la de ser un recurso inagotable que se renueva de forma gratuita y constante en la naturaleza, pudiéndose aprovechar el excedente para otros fines.

    Pero también presenta inconvenientes.  No es posible hacer predicciones, puesto que dependen de la hidraulicidad anual, y los años de sequía o lluviosos no es algo sobre lo que el hombre pueda incidir.  Los emplazamientos hidráulicos suelen estar lejos de las grandes poblaciones, por lo que es necesario transportar la energía eléctrica producida a través de costosas redes.  Otro aspecto poco favorable es el efecto negativo que puede tener la creación de un embalse sobre el entorno, con problemas de alteración de cauces, erosión, incidencias sobre poblaciones, pérdida de suelos fértiles, etc.

    Estos inconvenientes, unidos a las grandes inversiones necesarias en este tipo de centrales, y a la cada vez más difícil localización de emplazamientos son los que impiden una mayor utilización de esta fuente energética.  Sin embargo la energía hidráulica sigue siendo la más empleada entre las fuentes de energía renovables para la producción de energía eléctrica.

     

    6. ¿Qué es la energía solar y como se aprovecha?
    Energía solar es la energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética procedente del Sol, en donde es generada por un proceso de fusión nuclear.

    En el Sol se producen constantemente reacciones de fusión: los átomos de hidrógeno se fusionan dando lugar a un átomo de helio, liberando una gran cantidad de energía.  De ésta sólo una pequeña parte llega a la Tierra, pues el resto es reflejado hacia el espacio exterior por la presencia de la atmósfera terrestre.

    La energía solar llega a la superficie de la Tierra por dos vías diferentes:

  • Incidiendo en los objetos iluminados por el Sol (radiación directa),
  • Por reflexión de la radiación solar absorbida por el aire y el polvo atmosférico (radiación difusa).
  • La primera es aprovechable de forma directa, Los colectores planos y las células fotovoltaicas aprovechan la segunda, en alguna medida.

    Las ventajas de la energía solar son:

  • Es inagotable a escala humana y no contaminante.
  • Mediante procesos convenientes de concentración pueden alcanzarse con ella temperaturas hasta 3.000 ºC, que en principio permiten poner en marcha ciclos termodinámicos de alto rendimiento.
  • Los inconvenientes de esta fuente de energía son:
  • No puede ser almacenada, por lo que tiene que ser transformada inmediatamente en otra forma de energía (calor, electricidad, biomasa).
  • Su aprovechamiento exige disponer de sistemas de captación de grandes superficies y algunos de sus principales componentes son muy caros.
  • Es discontinuo y aleatoria.
  • Por tanto la energía solar que llega a la Tierra es gratuita, pero su transformación en energía útil es muy costosa y, en muchos casos, está en fase de experimentación.

    El aprovechamiento de la energía solar puede hacerse por dos vías: térmica y fotovoltaica.

    A) Vía térmica: Transforma la energía proveniente del Sol en energía calorífica.  Esta transformación puede darse a baja, media y alta temperaturas.

    Transformación a baja temperatura: Se emplea generalmente para calefacción doméstica, climatización de locales, calentamiento de agua en hospitales, piscinas... Es necesario captar la energía solar, para lo que se dispone de una serie de colectores que absorben la radiación solar y la transmiten en forma de calor para alimentar el sistema de calefacción.

    Estos sistemas aprovechan la energía solar a temperaturas que oscilan entre 35QC y 90@C y su rendimiento es superior al 50%.

    Instalaciones a medía temperatura: En estas instalaciones las temperaturas que se obtienen oscilan entre 90 ºC y 200 ºC, para lo que es necesario captar la energía solar y concentrarla mediante dispositivos especiales: El rendimiento en estos casos es del 60%.

    Estas instalaciones constan de un conjunto de colectores de concentración de distintas formas:

    a) Cilíndrico-parabólica: recogen la energía solar y la transmiten a un fluido (aceite térmico) en forma de calor.

    b) Heliostatos: formados generalmente por espejos orientables de forma que la radiación incidente sea reflejada en un punto fijo.

    Las aplicaciones de este tipo de instalaciones son fundamentalmente industriales.  El principal inconveniente es que utilizan sólo la radiación directa del Sol, pero no la difusa.

    Instalaciones a alta temperatura: son las centrales termoeléctricas.  La temperatura alcanzada es superior a 200 ºC.  Están formadas por una amplia superficie de heliostatos sostenidos por soportes que reflejan la radiación solar y la concentran en un pequeño punto receptor.  El receptor transmite la radiación solar en forma de calor a un fluido (agua, aire, metales líquidos) que circula por un circuito primario.  Este es enviado a un generador de vapor que convierte en vapor el agua que circula por un circuito secundario, la cual pone en movimiento un grupo turbina-alternador produciendo energía eléctrica.

    El rendimiento de estas instalaciones es aproximadamente del 20%.

    B) Conversión fotovoltaica: Los sistemas solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de células solares o fotovoltaicas dispuestas en paneles que transforman directamente la energía solar en energía eléctrica.

    La luz solar transporta la energía en forma de un flujo de fotones.  Cuando estos fotones inciden en determinado tipo de materiales y bajo ciertas condiciones, provocan una corriente eléctrica. Es lo que se conoce como efecto fotovoltaico.

    Las células solares o fotovoltaicas son pequeños elementos fabricados con un elemento cristalino semiconductor, silicio-germanio (Si-Ge).  Al incidir sobre ellas, los fotones producen un movimiento de electrones en el interior de la célula y aparecen entre sus extremos una diferencia de potencial que los convierte en un pequeño generador eléctrico.  El coste de estas células es muy elevado y el rendimiento es del 15 al 25%.

    El desarrollo de estos sistemas está ligado a la técnica de los satélites artificiales.  En una primera etapa, debido a la fiabilidad de su funcionamiento, su reducido peso y sus escasas necesidades de funcionamiento, estos sistemas fueron utilizados para cubrir las necesidades energéticas de los satélites.

     

    7. ¿Qué es la energía eólica y cómo se aprovecha?
    La energía eólica es la energía producida por el viento.  Fue una de las primeras fuentes de energía utilizada por el hombre.  Los barcos de vela y los molinos de viento son las primeras manifestaciones del aprovechamiento energético de la energía eólica.

    Esta fuente de energía presenta las ventajas y los inconvenientes de la energía solar: es inagotable, limpia, no contaminante y, una vez hecha la instalación para su captación, gratuita, Pero al mismo tiempo es dispersa, intermitente y se presenta de forma irregular en cuanto a su intensidad.  Además, el viento presenta otros problemas específicos.  A medida que aumenta la intensidad del mismo se incrementan los problemas en las instalaciones: corrosión, erosión, esfuerzo sobre la estructura y necesidad d e que la parte móvil se oriente hacia el viento, factores que hay que tener muy en cuenta al realizar el diseño de las máquinas eólicas.

    En la actualidad se utiliza para accionar molinos industriales, bombas y pequeñas dinamos.  Existen también sistemas de transformación de energía eólica en energía eléctrica, aunque están en fase experimental y el rendimiento obtenido es muy pequeño en relación a la producción.

     

    8. ¿Qué es la energía biomásica y cómo se puede aprovechar?
    Es la energía que se puede obtener de los compuestos orgánicos formados por procesos naturales.  Es lo que comúnmente se llama biomasa.

    La energía de la biomasa se puede conseguir fundamentalmente:

  • Estableciendo determinados cultivos que puedan transformarse posteriormente en combustible.
  • Aprovechando residuos forestales, agrícolas y domésticos, transformándolos después en combustible (biomasa residual).
  • Transformando química o biológicamente ciertas especies vegetales para convertirlas también en combustible (metanol y etanol).
  • La biomasa residual ofrece grandes perspectivas en cuanto a su aprovechamiento energético ya que se produce de forma continua como consecuencia de la actividad humana.  La eliminación de residuos naturales constituye normalmente un problema cuya solución requiere grandes desembolsos.  El aprovechamiento energético de los residuos, además de proporcionar energía, ahorrará los costes de su eliminación, aunque no hay que olvidar que su recogida, generalmente en terrenos difíciles, implica también considerables inconvenientes.
     

    9. ¿Qué es la energía geotérmica y cómo se aprovecha?
    La energía geotérmica ha sido utilizada por el hombre desde los tiempos más remotos.  Podemos considerarla como la energía que encierra la Tierra en forma de calor y que ha sido producida fundamentalmente en la desintegración de las sustancias radiactivas de su núcleo.  Este calor tiende a difundirse en el interior hasta escapar por la superficie de la corteza terrestre.  Esta cantidad de calor sería suficiente para cubrir las necesidades mundiales de energía si pudiera aprovecharse.  Pero como esto no es posible, hemos de intentar mejorar el aprovechamiento de este calor profundizando en la Litosfera.

    La temperatura se distribuye de forma irregular según las zonas de la corteza terrestre.  Las bolsadas de magma que proceden de las zonas más profundas se desplazan hacia zonas de menor presión.

    A su contacto las rocas se funden y desprenden grandes cantidades de gases que tienden a salir por las grietas y las fisuras de la corteza, dando lugar a fenómenos de vulcanismo como son las erupciones volcánicas, salidas de gases a altas temperaturas (fumarolas y solfataras), salida de agua hirviendo y vapor (geiseres) y salida de agua caliente (fuentes termales), aunque sólo algunas de éstas son aprovechabas.

    El aprovechamiento de la energía geotérmica se hace a distintas temperaturas.

    Baja energía: Se aprovecha directamente el agua caliente (a menos de 100 ºC) en muy variadas aplicaciones: calefacción, agua caliente doméstica, piscinas, invernaderos, secaderos...-.

    Media energía (90 150 ºC): Existe la posibilidad de producir energía eléctrica, recurriendo a un fluido intermedio para su extracción. (amoníaco, freón).  El rendimiento es muy bajo.

    Alta energía: El vapor a presión o el agua a más de 150 ºC tienen un valor suficiente de fuerza motriz como para alimentar una central eléctrica.  El rendimiento sigue siendo bajo.

    Rocas calientes y secas: Se encuentran a profundidades hasta 6.000 metros y a temperaturas de 300 ºC.  Con ellas se puede obtener energía eléctrica, pero su explotación presenta grandes dificultades.

    En general la energía geotérmica, aunque ofrece grandes posibilidades de aprovechamiento, tiene enormes limitaciones: es de aplicación local, no puede transmitiese a largas distancias y,además, en muchos casos el vapor tiene una gran cantidad de humedad, por lo que existe grave riesgo de corrosión en las instalaciones.
     

    10. ¿Qué es la energía maremotriz y cómo se puede aprovechar?
    La energía maremotriz es la energía desarrollada por las aguas del mar cuando están en movimiento.

    Las mareas  son el resultado de la atracción gravitatoria ejercida por el Sol y la Luna sobre nuestro planeta.  En algunos lugares el desnivel de las mareas alcanza con frecuencia varios metros de diferencia entre la marea baja y la marea alta (bajamar y pleamar).  Su utilización industrial sólo es posible en aquéllas zonas costeras que reúnan determinadas condiciones topográficas y marítimas en las cuales el valor de amplitud del desnivel de las mareas sea comparable a una instalación hidroeléctrica de escasa altura de caída de a pero de considerable masa de ésta.

    En algunos casos particulares en que la marea penetra por un paso estrecho, es posible mediante diques dejar entrar en él la marea ascendente y hacer pasar el agua a través de la turbina cuando la marea se retira.  Este es el principio de las centrales maremotrices.

    La energía de las olas es mucho más difícil de dominar y hasta el presente no se ha conseguido la tecnología adecuada.

     

    11. ¿Qué es el carbón y qué usos tiene?
    El carbón es un combustible fósil, resultado final de una serie de transformaciones sobre restos vegetales acumulados en lugares pantanosos, lagunas y deltas fluviales principalmente, durante el período carbonífero de la Era primaria.

    Por acciones químicas diversas y variaciones de presión y temperatura a lo largo de grandes intervalos de tiempo estos vegetales se transforman en carbón en un proceso llamado carbonización.  De forma resumida se puede decir que tras la fase de depósito de los vegetales comienza la acción de las bacterias anaerobias (sobre la celulosa y la lignina fundamentalmente).  Los cambios que dan lugar a la transformación de madera en carbón son de dos tipos: químicos y estructurales.  En los químicos se va desprendiendo hidrógeno y oxígeno a medida que la proporción de carbono aumenta.  En algunos casos (como en la antracita) llega a constituir casi la totalidad del. producto resultante.

    Existen también cambios estructurales.  La estructura fibrosa de la madera se transforma en estructura microcristalina distinta para cada variedad de carbón, y su color cambia de pardo a negro.

    Existen cuatro tipos de carbones diferentes, debido a las distintas clases de vegetal del que proceden y sobre todo a la duración y condiciones (presión y temperatura del proceso de carbonización.  Estos son:

    Antracita:  Es un carbón duro, totalmente carbonizado.  Muy compacto y brillante.  Con brillo nacarado y color negro.

    Hulla:  Es un carbón duro, totalmente carbonizado.  Color negro lustroso.  Brillo nacarado a bandas brillantes y mates.

    Lignito: Negruzco: Es un carbón blando perteneciente (como la turba) a épocas posteriores al carbonífero, por lo que no ha sufrido el proceso de carbonización completo.  Tiene aspecto de madera quemada y brillo a trozos.

    Turba: Es el más reciente de los carbones.  Es blando, de color marrón, mate, ligero de peso y en él se observan todavía restos de plantas.

    La potencia calorífica de estos carbones varía de 7.000 a 2.000 kcal/kg, desde la antracita y hulla hasta lignito y turba.  Asimismo, su humedad oscila de el 3% hasta el 40% y las sustancias volátiles pueden ir desde el 8% hasta el 50%.  Como principal impureza tenemos el azufre (S) y el nitrógeno (N), que al quemarse el carbón se liberan en forma de SO2 y NOx para unirse posteriormente al vapor de H2O y producir las lluvias ácidas.

    Las aplicaciones más importantes del carbón son:

  • Como combustible doméstico e industrial.
  • Como reductor en la siderurgia.
  • Como materia prima en la fabricación de gas del alumbrado.
  • Como combustible en las centrales térmicas.
  • La antracita se utiliza fundamentalmente como combustible doméstico e industrial, fundamentalmente para la producción de energía eléctrica.  La destilación seca de la hulla da lugar a cuatro fracciones: amoníaco, alquitrán, gas natural y coque.  Este último (duro, resistente y poroso) se utiliza en la metalurgia del hierro y del acero (siderurgia).  El lignito se emplea fundamentalmente en las centrales térmicas para obtener de él energía eléctrica.  La turba se utiliza como combustible doméstico.
     

    12. ¿Qué es el petróleo y que usos tiene?
    El petróleo es un aceite mineral de color muy oscuro o negro, menos denso que el agua y de un olor acre característico.  Está formado por una mezcla de hidrocarburos acompañados de azufre, oxígeno y nitrógeno en cantidades variables.  El petróleo se encuentra sólo en las rocas sedimentarlas.

    El petróleo se origina a partir de una materia prima formada fundamentalmente por restos de organismos vivos acuáticos, vegetales y animales que vivían en los mares, las lagunas, las desembocaduras de los ríos y en las cercanías del mar.  Estos restos fueron atacados en los fondos fangosos por bacterias anaerobias que consumieron su oxígeno dejando únicamente moléculas de carbono e hidrógeno llamadas hidrocarburos.

    La presión ejercida por la enorme masa de sedimentos provoca la expulsión del líquido que se encuentra entre las capas de la roca sedimentaría.  Este líquido, el petróleo, migra siguiendo la pendiente a decenas de kilómetros hasta que encuentre una roca porosa e incompresible cuyos huecos rellena.  Esta roca es la llamada roca almacén.

    Los campos petrolíferos se encuentran normalmente muy lejos de los lugares de consumo. El transporte terrestre de los crudos se realiza, normalmente, a través de oleoductos que van del pozo a la refinería o al puerto de expedición más próximo.  El transporte marítimo a larga distancia lo cubren los buques cisternas o petroleros.

    Los principales usos del petróleo son:

    a) Como combustible doméstico e industrial.

    b) Como carburante y lubricante.

    c) Para la obtención de materias primas básicas en la industria petroquímica.

    El crudo del petróleo es una mezcla de hidrocarburos desde el más sencillo (CH4 metano) hasta especies complejas con 40 átomos de carbono.  El petróleo, tal como mana del pozo, tiene muy pocas aplicaciones.  Para obtener los diversos derivados es necesario someterlo a un proceso de refino.  La operación principal de éste es la destilación fraccionada.  En ella obtenemos, a distintas temperaturas, toda una gama de productos comerciales a partir del petróleo bruto.  Sustancias gaseosas tales como metano, etano, propano y butano; líquidas como las gasolinas, el queroseno y el fuel; sólidas como las parafinas y los alquitranes, se obtienen a distintas temperaturas en este proceso.

    Para satisfacer las necesidades del mercado ha sido necesario desarrollar técnicas de transformación que, modificando la estructura de los productos obtenidos en la destilación fraccionada, permitan obtener las sustancias que la sociedad demanda.  Entre esas técnicas la más importante son el craqueo y la polimerización.

    En la operación de craqueo lo que se logra es la ruptura de una molécula pesada con muchos átomos de C (fuel por ejemplo), originando varias moléculas ligeras (gasolinas y gases, por ejemplo).

    La polimerización es la unión de varias moléculas de un compuesto llamado monómero (p. ej. Etileno), para formar una molécula llamada polímero (p. ej. polietileno).  Este proceso es de gran importancia en la industria petroquímica.

    Una de las aplicaciones más importantes del petróleo es su utilización como materia prima en toda la industria petroquímica.  El 60% de los productos químicos que se encuentran en el mercado y el 80% del sector orgánico proceden de la petroquímica.  Abonos, plásticos, anticongelantes, detergentes, cauchos sintéticos, colorantes, explosivos, fibras plastificantes, disolventes... son productos obtenidos a partir del petróleo.

    Por todo ello, podemos afirmar que el petróleo juega un importante papel, no sólo en el campo de los suministros energéticos, sino también en el de la industria química.

     

    13. ¿Qué es el gas natural y que usos tiene?
    El gas natural es una mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el metano, CH4.  La proporción en la que se encuentra este compuesto es del 75 al 95% del volumen total de la mezcla. (Por esto, se suele llamar metano al gas natural).  El resto de los componentes son etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón.

    El desarrollo del empleo del gas natural se ha realizado con posterioridad al uso del petróleo.  El gas natural que aparecía en casi todos los yacimientos petrolíferos se quemaba como un residuo más.  A pesar de su enorme poder calorífico no se podía aprovechar, por los grandes problemas que planteaban su almacenamiento y transporte.

    La necesidad de encontrar nuevas fuentes de energía, la puesta a punto de las técnicas de licuefacción de gas y procedimientos de soldadura de tuberías para resistir grandes presiones, han hecho posible la utilización de todos estos recursos energéticos.

    El gas natural se utiliza:

    a) Como combustible doméstico e industrial.- Tiene un gran poder calorífico.  Su combustión es regulable y produce escasa contaminación.

    b) Como materia prima en la industria petroquímica para la obtención de amoníaco, metanol, etileno, butadieno y propileno.
     

     

    14. ¿Cómo está constituido el núcleo de los átomos?
    El núcleo de los átomos fue descubierto en 1911 por Rutherford a partir del análisis de partículas ce dispersadas por los átomos.  Es a partir de 1932, con el descubrimiento del neutrón por Chadwick y con las reacciones llevadas a cabo por los esposos Joliot-Curie, cuando el núcleo empieza a tener verdadera importancia.

    El núcleo tiene dimensiones muy reducidas.  Ocupa la parte central del átomo; en él reside toda la carga positiva y casi la totalidad de la masa atómica.  Está formado fundamentalmente por protones y neutrones.  Los protones tienen una carga positiva cuantitativamente igual a la del electrón (1,602 X 10 -19C). Los neutrones son eléctricamente neutros.  A las partículas del núcleo se les llama nucleones.  Las fuerzas que mantienen unidas las partículas del núcleo entre sí, venciendo, incluso, las de repulsión electrostática entre los protones, son unas fuerzas de naturaleza desconocida y corto alcance que sólo aparecen en el interior de los núcleos y que se llaman fuerzas nucleares.

    A la energía acumulada por estas fuerzas nucleares se la llama energía de enlace o de ligadura y se calcula mediante la relación de Einstein E = MC2.

    Al determinar la masa del núcleo observamos que es inferior a la suma de la masa de los componentes.  La diferencia entre ambas se llama defecto másico (Dm) y la energía de enlace será
    E = Dm.c2.

    Una parte de la masa del núcleo se ha transformado en energía de enlace para mantener unidas las partículas del núcleo.  Esta energía es la que se libera en una reacción nuclear.  Dividiendo la energía de enlace o de ligadura por el número de componentes del núcleo, se obtiene la energía media por nucleón, valor que nos indica la estabilidad del núcleo.  Si la energía media de enlace tiene un valor alto, será un núcleo estable.  Si su valor es pequeño, será inestable y tenderá a emitir alguno de sus componentes para convertirse en otra forma más estable.  En este caso el núcleo es radiactivo.

     

    15. ¿Es lo mismo energía nuclear que energía atómica?
    Los términos energía atómica y energía nuclear son sinónimos y definen el mismo concepto.  La razón de esta doble denominación es de origen histórico.  Existen unos países a los que podemos llamar "pioneros" en las investigaciones relacionadas con la energía emitida por los cuerpos radiactivos y otros a los que podemos llamar "usuarios" de dicha energía.  Entre los primeros podemos incluir a Francia y al Reino Unido, países en los que Becquerel, los esposos Curie, Rutherford y sus colaboradores hablaban en sus comunicaciones de energía atómica y lo que estudiaban eran "las grandes cantidades de energía almacenadas en los átomos radiactivos" (el núcleo no fue descubierto hasta 1912).  En el segundo grupo (en el que podemos incluir a España) el término nucleares el que se empezó a utilizar con rigor y precisión.

    Existe un intento de generalizar el uso del término nuclear en todos los países.  Sin embargo es difícil que se deje de hablar de energía atómica. por la gran cantidad de organismos oficiales y de normas que llevan de forma implícita este término.

     

    16. ¿Qué es la fisión nuclear?
    La fisión nuclear es una reacción en la cual un núcleo pesado, al ser bombardeado con neutrones, se descompone en dos núcleos, uno de ellos de masa aproximadamente la mitad del otro, con gran desprendimiento de energía y la emisión de dos o tres neutrones.  Estos, a su vez, pueden ocasionar más fisiones al interaccionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente si la constante de multiplicación es mayor que 1. Este efecto multiplicador se conoce con el nombre de reacción en cadena.  En una pequeña fracción de segundo, el número de núcleos que se han fisionado libera una energía 106 veces mayor que la obtenida al quemar un bloque de carbón o explotar un bloque de dinamita de la misma masa.  Debido a la rapidez a la que tiene lugar una reacción nuclear, la energía se desprende mucho más rápidamente que en una reacción quírfii.ca. Este es el principio en el que está basada la bomba atómica.  Las condiciones bajo las que se llegó a su descubrimiento y construcción forman parte de la historia d e la humanidad y son conocidas por todos.

    Si por el contrario se logra que sólo uno de los neutrones liberados produzca una fisión posterior, el número de fisiones que tienen lugar por segundo es constante y la reacción está controlada.  Este es el principio de funcionamiento en el que están basados los reactores nucleares, que son fuentes controlables de energía nuclear de fisión.
     

     

    17. ¿Qué es la fusión nuclear?
    Recibe el nombre de fusión nuclear la reacción en la que dos núcleos muy ligeros se unen para formar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía.

    Para que tenga lugar la fusión, los núcleos cargados positivamente, deben aproximarse venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión. La energía cinética necesaria para que los núcleos que reaccionan venzan las interacciones se puede suministrar en forma de energía térmica o utilizando un acelerador de partículas.

    La solución más viable es la fusión térmica.  Estas reacciones de fusión térmica, llamadas reacciones termonucleares, se producen en los reactores de fusión y fundamentalmente con los isótopos del hidrógeno

    (protio:  1  
    1
    H, deuterio:  2  
    1
    H, y tritio:  3  
    1
    H)
     

    Entre las posibles reacciones nucleares de fusión están:
     

    2
    1
    H +
    2
    1
    H ®
    3
    1
    H+
    1
    1
    H + 4 MeV
    2
    1
    H +
    2
    1
    H ®
    3
    2
    He +
    1
    0
    n + 3,2 MeV
    2
    1
    H +
    3
    1
    H ®
    4
    2
    He +
    1
    0
    n + 17,6 MeV
     

    El aprovechamiento por el hombre de la energía de fusión pasa por la investigación y el desarrollo de sistemas tecnológicos que cumplan dos requisitos fundamentales: calentar y confinar.  Calentar para conseguir un gas sobrecalentado (plasma) en donde los electrones salgan de sus órbitas y donde los núcleos puedan ser controlados por un campo magnético; y confinar, para mantener la materia en estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar.

    Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía ya que el deuterio no es radiactivo y se encuentra de forma natural y prácticamente ilimitada en la naturaleza.  El tritio no se presenta de forma natural y además es radiactivo.  Sin embargo las investigaciones están básicamente centradas en las reacciones de fusión deuterio-tritio, debido a que libera una mayor energía y la temperatura a la que tiene lugar la fusión es considerablemente menor que las otras.
     

     

    Las tres partículas elementales que entran a formar parte del átomo son: el electrón, el protón y el neutrón: el electrón posee una masa de 9,11 x 10-31 kg (aproximadamente 1/1800 de la masa del átomo de hidrógeno) y una carga negativa de 1,602 x 10-19 C (este valor se toma como unidad en física nuclear); el protón tiene una masa de 1,673 x 10-27 kg. (aproximadamente, la masa del átomo de hidrógeno) y una carga positiva igual en valor absoluto a la carga del electrón; el neutrón tiene una masa ligeramente inferior al protón y carece de carga eléctrica.  Hoy se sabe que el protón y el neutrón no son esencialmente distintos, sino que son dos estados de una misma partícula denominada nucleón, de tal modo que un neutrón puede desintegrarse en un protón más un electrón, sin que ello signifique que el electrón existiese anteriormente sino que se forma en el momento de la desintegración.  Análogamente, un protón puede transformarse en un neutrón para lo que ha de emitir un electrón positivo (positrón)

    Otra partícula de gran importancia en física nuclear es el neutrino, que, aunque carece de masa y de carga, posee energía y cantidad de movimiento.  La existencia del neutrino se dedujo a partir de consideraciones teóricas que hacían necesaria la existencia de esta partícula si determinados procesos subatómicos habían de cumplir las leyes de la física.

    El estudio de la radiación cósmica, así como los experimentos que se llevan a cabo en los aceleradores de partículas, han permitido comprobar la existencia de un número mucho mayor de partículas elementales, todas ellas de vida efímera, es decir, que se desintegran en otras; estas partículas han recibido los nombres de muones, tauones, mesones, hiperones.  El número de partículas elementales descubiertas hasta la fecha rebasa el centenar.

    También se sabe que además de cada partícula existe la antipartícula correspondiente, la cual posee la misma masa que ella e igual carga pero de signo contrario.  Así, el antiprotón es una partícula con la misma masa que el protón pero cuya carga es una unidad negativa; el antielectrón (que recibe el nombre de positrón) es igual que un electrón con carga positiva.  Las antipartículas tienen una vida muy corta, ya que cuando se encuentran con una partícula se aniquilan liberando energía.