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UNIVERSIDAD NACIONAL DE
INGENIERÍA RECINTO
UNIVESITARIO “SIMÓN BOLIVAR”
CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DEPARTAMENTO DE IDIOMAS
“Conversión de la Energía”
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN DOCUMENTAL DE LA ASIGNATURA DE
REDACCIÓN TÉCNICA
AUTORES:
Br. Roxana Gabriela Matamoros Herrera. (2020-0566U) Br. Milagro Alexandra Medal Calero. (2020-0740U) Br. Ricardo José Ramos Argüello. (2020-0530U) Br. Yuri Francisco Roblero Vásquez. (2020-0613U) Br. David Antonio Rodríguez Sánchez. (2020-0518U) Br. Bryan Josué Silva Cruz. (2020-0578U) DOCENTE: MSc. Elmer Antonio Vicente P
Tabla de contenido
- MANAGUA, AGOSTO DE
- I. Objetivos............................................................................................................................................
- 2.1 General.............................................................................................................................................
- 2.2 Específicos........................................................................................................................................
- II. Fundamentación teórica.................................................................................................................
- 3.1. Energía............................................................................................................................................ - 3.1.1. Concepto.................................................................................................................................... - 3.1.2. Tipos de energía........................................................................................................................
- 3.2. Propiedades de la energía............................................................................................................. - 3.2.1 Se transforma........................................................................................................................... - 3.2.2 Se conserva............................................................................................................................... - 3.2.3 Se almacena.............................................................................................................................. - 3.2.4 Se degrada................................................................................................................................ - 3.2.5 Transferencia de energía..........................................................................................................
- 3.3 Conservación y conversión de energía......................................................................................... - 3.3.1 Concepto de conservación de energía...................................................................................... - 3.3.2 Concepto de conversión de energía.......................................................................................... - 3.3.3 ¿Cómo se convierte la energía?...............................................................................................
- 3.4 Conversores o transductores de energía...................................................................................... - 3.4.1 Concepto................................................................................................................................... - 3.4.2 Tipos de conversores................................................................................................................ - 3.4.3 Conversiones más comunes...................................................................................................... - 3.4.4 Ejemplos de conjuntos de conversiones de energía en máquinas........................................... - 3.4.5 Otras conversiones energéticas................................................................................................
- III. Metodología..................................................................................................................................
- 4.1. Proceso de revisión documental...................................................................................................
- 4.2. Métodos teóricos: Síntesis y análisis............................................................................................ - 4.2.1 Análisis..................................................................................................................................... - 4.2.2 Síntesis......................................................................................................................................
- 4.3 Métodos especializados: Bibliográficos........................................................................................
- 4.4 Proceso de Experimentación......................................................................................................... - 4.4.1 Creación de un circuito Vúmetro............................................................................................. - 4.4.2 Elaboración de Datos y observación........................................................................................ - 4.4.3 Resultado..................................................................................................................................
energía, sus propiedades, sus elementos y demás datos de relevancia para la creación de nuestro proyecto.
I. Objetivos
2.1 General
Explicar cómo cualquier tipo de energía se puede convertir en otra distinta a través del uso de diferentes transformadores de energía.
2.2 Específicos
Definir las diferentes variaciones de la energía. Explicar los métodos utilizados para ejecutar la conversión de la energía. Describir el fenómeno de conservación de la energía.
Un átomo puede tener muchos electrones, situados en órbitas que giran alrededor del núcleo. Hay fenómenos que consiguen arrancar electrones de las órbitas externas del átomo, quedando entonces deficitario de cargas negativas (el átomo se convierte así en un ion positivo). Al producirse el abandono de un electrón de su órbita queda en su lugar un “hueco” el cual atraerá a un electrón de un átomo contiguo, de este modo se desencadena una cascada de electrones arrancados de otros átomos contiguos para ir rellenando huecos sucesivos, y así se produce una circulación de electrones. La fuerza que obliga a los electrones a circular por un conductor depende de la diferencia de electrones existentes en los extremos de ese conductor. Si en un extremo se tienen muchos electrones mientras que en el otro apenas hay, aparecen aquí huecos, la tendencia natural es que se produzca una circulación de electrones hacia el extremo donde hay huecos, para alcanzar así un equilibrio. La diferencia existente en el número de electrones entre un extremo y otro, y que determina la “fuerza” con la que circulan, recibe el nombre de diferencia de tensión, lo que significa que cuanta mayor tensión exista en los extremos de un conductor mayor es también el número de electrones que hay dispuestos en un lado para desplazarse hacia el otro.
3.1.2.1.1 Energía renovable
Las energías renovables son aquellas que se producen de forma continua y son inagotables a escala humana; se renuevan continuamente, a diferencia de los combustibles fósiles, de los que existen unas determinadas cantidades o reservas, agotables en un plazo más o menos determinado. Las principales formas de energías renovables que existen son: la biomasa, hidráulica, eólica, solar, geotérmica y las energías marinas. Las energías renovables provienen, de forma directa o indirecta, de la energía del Sol; constituyen una excepción la energía geotérmica y la de las mareas. En la actualidad, la contribución de las energías renovables (con respecto al consumo total de energía primaria) a nivel mundial ronda el 8% y en Europa es del 6%; estos porcentajes corresponden casi exclusivamente a energía hidráulica y biomasa.
3.1.2.1.2 Energía no renovable
No se renuevan a corto plazo y por lo tanto se agotan. Las más comunes son los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), y los combustibles nucleares (uranio y plutonio). En la actualidad, la demanda mundial de energía se satisface fundamentalmente con este tipo de fuentes, pero su utilización presenta graves problemas. Por un lado, como son l imitadas, al ritmo actual de consumo, terminarán agotándose o dejarán de ser económicamente rentables. Y por otro, su utilización crea graves problemas ambientales, por ejemplo, la contaminación del aire y el agua, la producción de residuos y la emisión de gases de efecto invernadero.
3.1.2.2 Energía química
La energía química se manifiesta en determinadas reacciones químicas en las que se forman o rompen enlaces químicos. El carbón, el gas natural o el funcionamiento de las baterías son algunos ejemplos del uso de esta energía.
3.1.2.3 Energía mecánica
La energía mecánica es aquella relacionada tanto con la posición como con el movimiento de los cuerpos y, por tanto, involucra a las distintas energías que tiene un objetivo en movimiento, como son la energía cinética y la potencial. Su fórmula es: Em =Ep+Ec Donde Em es la energía mecánica (J), E (^) p la energía potencial (J) y Ec la energía cinética (J). La energía potencial hace referencia a la posición que ocupa una masa en el espacio. Su fórmula es: Ep=m•g•h Donde m es la masa (kg), g la gravedad de la Tierra (9,81 m/s^2 ), h es la altura (m) y Ep la energía potencial (J=Kg·m^2 /s^2 ). La energía cinética por su parte se manifiesta cuando los cuerpos se mueven y está asociada a la velocidad. Se calcula con la fórmula: Ec= ½ m • v Donde m es la masa (Kg), v la velocidad (m/s) y Ec la energía cinética (J=Kg·m^2 /s^2 )
cuerdas y las ondas sonoras se extienden en la proximidad del instrumento, cuando una emisora de radio está transmitiendo, las ondas electromagnéticas se propagan a través del aire o del vacío. El movimiento ondulatorio consiste en la propagación de una propiedad física o una perturbación (variación de alguna magnitud física) descrita por un cierto campo, a través de un medio. El campo que describe la propiedad física puede ser:
- Un campo electromagnético (caso de ondas electromagnéticas).
- El desplazamiento transversal de una cuerda, la deformación de un resorte, la presión de un gas, etc. (caso de ondas elásticas). El medio que transmite las ondas puede ser el aire, una cuerda tensa, un líquido, etc. e, incluso el vacío (sólo para el caso de ondas electromagnéticas). Como la afirmación de que lo que se propaga en el movimiento ondulatorio es una propiedad física o perturbación es algo abstracta, conviene concretarla: En un movimiento ondulatorio se transmite o propaga una condición dinámica, esto es, cantidad de movimiento y energía. Cualquiera que sea la naturaleza del medio que transmite las ondas, ya sea el aire, una cuerda tensa, un cable eléctrico o el vacío, todos los movimientos ondulatorios están regidos por una cierta ecuación diferencial, la ecuación del movimiento ondulatorio. La parte matemática del problema consiste meramente en resolver esta ecuación con las adecuadas condiciones de contorno e interpretar después la solución apropiadamente
3.1.2.7 Energía nuclear
La energía nuclear o energía atómica es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado, el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la obtención de energía eléctrica, térmica y mecánica a partir de reacciones atómicas, y su aplicación, bien sea con fines pacíficos o bélicos.
Así, es común referirse a la energía nuclear no solo como el resultado de una reacción sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos y técnicas que permiten la utilización de esta energía por parte del ser humano. Existen varias disciplinas y técnicas que usan de base la energía nuclear y van desde la generación de electricidad en las centrales nucleares hasta las técnicas de análisis de datación arqueológica (arqueometría nuclear), la medicina nuclear usada en los hospitales, etc.
3.1.2.8 Energía Acústica
Las ondas sonoras Un sonido es un fenómeno físico que consiste en la alteración mecánica de las partículas de un medio elástico, producida por un elemento en vibración, que es capaz de provocar una sensación auditiva. Las vibraciones se transmiten en el medio, generalmente el aire, en forma de ondas sonoras, se introducen por el pabellón del oído haciendo vibrar la membrana del tímpano, de ahí pasa al oído medio, oído interno y excita las terminales del nervio acústico que transporta al cerebro los impulsos neuronales que finalmente generan la sensación sonora. En el aire, que es el medio al que habitualmente nos referiremos, el fenómeno se propaga por la puesta en vibración de las moléculas de aire situadas en la proximidad del elemento vibrante, que a su vez transmiten el movimiento a las moléculas vecinas, y así sucesivamente.
3.1.2.8.1 Espectro de frecuencia
La vibración de las moléculas de aire provoca una variación de la presión atmosférica, es decir, el paso de una onda sonora produce una onda de presión que se propaga por el aire. La velocidad de propagación en este medio, en condiciones normales de temperatura y presión, es de aproximadamente 340 m/s. Esta variación de la presión se denomina presión acústica o presión sonora, y se define como la diferencia en un instante dado entre la presión instantánea y la presión atmosférica. La presión acústica varía muy bruscamente con el tiempo; estas variaciones bruscas son percibidas por el oído humano, creando la sensación auditiva. Las ondas sonoras se atenúan con la distancia y pueden ser absorbidas o reflejadas por los obstáculos que encuentran a su paso.
objeto, y la energía potencial química, contenida, por ejemplo, en baterías, combustibles y alimentos.
3.2.4 Se degrada
La energía se transfiere cuando pasa de un cuerpo a otro y, al hacerlo, se degrada o pierde calidad, es decir, no es capaz de convertirse en otras formas de energía. El calor es la forma de energía de menor calidad, porque si bien cualquier forma de energía se puede convertir íntegramente en calor, el calor no puede convertirse totalmente en otra forma de energía.
3.2.5 Transferencia de energía
Existen tres formas principales de transferir energía de un cuerpo a otro:
3.2.5.1 Trabajo
El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento. Vamos a particularizar la expresión general del trabajo para un sistema termodinámico concreto: un gas encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento. Por efecto de la presión (p) ejercida por el gas, el pistón sufre una fuerza F que lo desplaza desde una posición inicial (A) a una posición final (B), mientras recorre una distancia dx.
3.2.5.2 Ondas
El fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. La radiación propagada en forma de ondas electromagnéticas (Rayos X, Rayos UV, etc.) se llama radiación electromagnética, mientras que la radiación corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas subatómicas (partículas, neutrones, etc.) que se mueven a gran velocidad en un medio o el vacío, con apreciable transporte de energía. Si la radiación transporta energía suficientemente como para provocar ionización en el medio que atraviesa, se dice que es una radiación ionizante. En caso contrario se habla de radiación no ionizante. El carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de su naturaleza corpuscular u ondulatoria.
Son radiaciones ionizantes los Rayos X, Rayos, y Partículas, entre otros. Por otro lado, radiaciones como los Rayos UV y las ondas de radio, TV o de telefonía móvil, son algunos ejemplos de radiaciones no ionizantes.
3.2.5.3 Calor
Es un tipo de energía que se manifiesta cuando se transfiere energía de un cuerpo caliente a otro cuerpo más frío. Esta energía puede viajar de tres maneras principales:
3.2.5.3.1 Conducción
Es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. La conducción es una transferencia de calor entre los cuerpos sólidos. La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire, plumavit, corcho, madera, hielo, lana, papel o plásticos, son malos conductores térmicos. A estas sustancias se les llaman aislantes. Si una persona sostiene uno de los extremos de una barra metálica, y pone en contacto el otro extremo con la llama de una vela, de forma que aumente su temperatura, el calor se trasmitirá hasta el extremo más frío por conducción. Los átomos o moléculas del extremo calentado por la llama, adquieren una mayor energía de agitación, la cual se trasmite de un átomo a otro, sin que estas partículas sufran ningún cambio de posición, aumentando entonces, la temperatura de esta región. Este proceso continúa a lo largo de la barra y después de cierto tiempo, la persona que sostiene el otro extremo percibirá una elevación de temperatura en ese lugar.
otro, por ejemplo, el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por convección.
3.3 Conservación y conversión de energía
3.3.1 Concepto de conservación de energía
El Principio de Conservación de la Energía o Ley de conservación de la energía, también conocido como el Primer principio de la termodinámica, establece que la cantidad total de energía en un sistema físico aislado (es decir, sin interacción alguna con otros sistemas) permanecerá siempre igual, excepto cuando se transforme en otros tipos de energía. De acuerdo al Principio de Conservación de la Energía, al introducir en un sistema una cantidad de calor (Q) determinada, ésta será siempre igual a la diferencia entre el aumento de la cantidad de energía interna (ΔU) más elU) más el trabajo (W) efectuado por dicho sistema. De esa manera, tenemos la fórmula: Q = ΔU) más elU + W, de donde se desprende que ΔU) más elU = Q – W. Este principio aplica también al campo de la química, pues la energía involucrada en una reacción química tenderá a conservarse siempre, al igual que la masa, excepto en los casos en que esta última se transforme en energía, como lo indica la famosa fórmula de Albert Einstein de E = m.c2, donde E es energía, m es masa y c la velocidad de la luz. Esta ecuación es de suma importancia en las teorías relativistas.
3.3.2 Concepto de conversión de energía
Hay un principio que dice que la energía en el universo no puede ni crearse ni destruirse, únicamente transformarse en otras formas de energía, como puede ser la energía eléctrica en energía calórica (así operan las resistencias) o en energía lumínica (así operan los bombillos). De allí que, al realizar ciertos trabajos o en presencia de ciertas reacciones químicas, la cantidad de energía inicial y final parecerá haber variado si no se tienen en cuenta sus transformaciones.
La energía, entonces, no se pierde, como se ha dicho ya, pero sí puede dejar de ser útil para realizar un trabajo, conforme a la Segunda ley de la termodinámica: la entropía (desorden) de un sistema tiende al incremento a medida que transcurre el tiempo, es decir, los sistemas tienden irremediablemente al desorden. La acción de esta segunda ley en concordancia con la primera es lo que impide que existan sistemas aislados que conserven su energía intacta para siempre (como el movimiento perpetuo, o el contenido caliente de un termo). Que la energía no puede crearse ni destruirse no significa que permanezca inmutable.
3.3.3 ¿Cómo se convierte la energía?
La energía está en constante transformación en nuestro entorno, y todo el tiempo lo pasamos por alto. El ejemplo más sencillo está en las fuentes de energía renovable, tomemos la energía solar. El principio de la energía solar se encuentra en la conversión de la energía calórica brindada por el sol en energía eléctrica, por medio de un equipo llamado “panel solar” ubicado en el techo de las casas para poder captar la mayor cantidad de energía calórica posible. Dentro de este panel solar se encuentra un circuito encargado de transformar la energía de corriente directa recibida en corriente alterna para que pueda ser usado en nuestros equipos de uso cotidiano, donde nuevamente ésta sufre una transformación en dependencia del equipo que estemos usando, como bombillo (eléctrico-luminosa), plancha (eléctrico-calórica), o equipo de sonido (electroacústica), cabe destacar que para este último se necesita transformar la corriente alterna en corriente directa nuevamente para que tenga un correcto funcionamiento, pero esto no sucede de la nada, hay dispositivos y sistemas que ya están fabricados con el único objetivo de transformar un tipo de energía en otro, ya sea siempre de forma eléctrica o variando entre los distintos tipos de energía de las cuales hablamos con anterioridad, a continuación conoceremos algunos ejemplos de transducción.
3.4 Conversores o transductores de energía
3.4.1 Concepto
Tal y como postula el primer Principio de la Termodinámica antes mencionado, la energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. La energía puede transformarse de una
Conversión Termoeléctrica. Conversión Electroquímica. Conversión Electromecánica. Conversión Electroacústica.
3.4.2.1 Transformadores
Un transformador es un dispositivo de electricidad estática que transfiere energía por acoplamiento inductivo entre sus circuitos. Una corriente variable crea un flujo magnético variable en el núcleo ferromagnético del transformador. En consecuencia, se crea también un flujo magnético variable a través de un devanado secundario. Esta variación del flujo magnético induce una variación en la fuerza electromotriz del devanado secundario y en un aumento de temperatura que se controla con el uso de intercambiadores de calor.
3.4.2.2 Conversores de Potencia
Los convertidores de potencia también están presentes en la red de distribución eléctrica, en todo tipo de procesos y en industrias manufactureras. Un convertidor de potencia es un dispositivo eléctrico o electromecánico para la conversión de energía eléctrica y se usa para aumentar o disminuir la tensión (transformadores), convertir la corriente alterna en corriente (rectificador), o para controlar y convertir la frecuencia de corriente alterna (convertidor de frecuencia). La transformación, rectificación y conversión de energía eléctrica genera calor y, en consecuencia, las máquinas implicadas deben ser enfriadas a través del uso de juntas para intercambiadores de calor a placas e intercambiadores de calor de aire.
3.4.2.2.1 Clases de Conversores de Potencia
En electricidad y electrónica los tipos más habituales de conversión son: DC a DC (corriente directa a corriente directa) AC a DC (corriente alterna a corriente directa) o Rectificadores. o Fuentes de alimentación conmutadas. CD a CA (inversores de corriente). CA a CA (corriente alterna a corriente alterna) o Transformadores/autotransformadores (dispositivos eléctricos)
o Conversores CA-CA (dispositivos electrónicos) Convertidores de tensión a corriente y viceversa.
3.4.2.2.1.1 CD a CD
Se llama convertidor CD-CD a un tipo de convertidor de potencia que transforma corriente continua de un nivel de tensión a otro. En el área de la electrónica, los más conocidos son los reguladores conmutados (Ver Figura 2.1 y 2.2), específicamente los que utilizan almacenamiento de energía en forma de campo magnético. Figura 2. Figura 2.
3.4.2.2.1.2 CA a CD
Un convertidor de corriente alterna a corriente directa es un tipo de convertidor de corriente que parte de un rectificador de onda completa. Su carga puede ser puramente resistiva. La forma de onda de la salida de un rectificador de corriente AC a DC se muestra en la figura 3.
