Energia: capacitat que tenen els cossos per realitzar un treball [ J ].
Principi de conservació de l’energia: l’energia no es pot crear ni destruir, sinó que només es pot transformar o transmetre d’uns cossos a uns altres.
Força: és la causa de que un cos variï la seva posició o la seva forma.
amF
2
F:força (N)m: massa (kg)a: acceleració (m/s2)
Pes: és la força d’atracció que exerceix la Terra sobre un cos.
Treball: Al desplaçar un cos una distància d amb una força F el treball és:
gmP 28,9
s
mg
cosdFWF
α
d
dFWSi α=0
3
P: pes (N)m: massa (kg)g: gravetat
W: treball ( J )D: distància (m)α: angle que formen la força i el desplaçament
Potència: és el treball realitzat en cada unitat de temps.
Si la força i el desplaçament tenen la mateixa direcció i sentit:
t
WP Watt (W)
vFt
dF
t
WP
P:potència Watt (W)W: treball ( J )t:temps (s)1CV=736W
P: potència (W)F:força (N)d:distància (m)t: temps (s)v:velocitat (m/s)
4
Energia mecànica [ J ]◦ Energia potencial. En funció de la posició
◦ Energia cinètica. En funció del moviment.
Energia tèrmica o interna: és l’energia que té un cos deguda a la suma de les energies que posseeixen les seves molècules.
L’augment del moviment de les molècules augmenta la seva energia interna.
mghEp
2
2
1mvEc
5
Quant l’energia tèrmica d’un cos es transfereix a un altre s’anomena calor.
La transferència pot ser:◦ Conducció: per contacte (sòlids)
◦ Convecció: propagació en els fluids
◦ Radiació: forma d’ones electromagnètiques
Energia química: La dels enllaços entre els àtoms que formen les molècules.
Energia elèctrica: deguda als electrons en moviment.
tIVtPE6
E: energia (J) (kW·h)P: potència (W) (kW)T: temps (s) (h)V: tensió (V)I: intensitat (A)
Energia nuclear: Energia que manté juntes les partícules del nucli dels àtoms en un espai molt reduït.
Energia radiant: ones electromagnètiques. Per exemple el Sol.
Energia sonora: Moviment de vibració que es desplaça a través de molècules d’un medi natural.
2cmE 28 /103 smc
7
E: energia (J)m:massa desintegrada (kg)c: velocitat de la llum
8
Energia lluminosa
Energia tèrmica
Energia química
Energia mecànicaEnergia
elèctrica
Energia sonora
Energia radiant
Energia nuclear
Sistema
η
Eu
Wu
Pu
Ep
Wp
Pp
Ec
Wc
Pc
Energia, Treball i Potència consumida
Energia, Treball i Potència útil
Energia, Treball i Potència perduda
Ec=Ep+Eu
9
El rendiment d’una màquina és la relació entre el treball o energia consumit i el treball o energia útil.
◦ η:rendiment (tant per u)◦ Wu: Treball útil ( J )◦ Wc: Treball consumit ( J )
c
u
W
WcWWu
10
cu EE
cu PP
c
u
E
E
E:Energia (J) (kw·h)
c
u
P
P
En els casos de transformacions directes:
P:Potència (W) (CV)
11
uc
EE
uc
PP
Un motor subministra 3CV de potència útil i té un rendiment del 35%. Quina energia consumirà en 8 h, en Joules?
13
Un muntacàrregues triga 2 min. per aixecar una càrrega de 2000 kg. a 30 m d’altura. Calcula el treball útil que efectua i la potència útil del motor en CV
14
Al llarg del temps:◦ Energia del sol, muscular de l’home, dels animals
◦ Energia del vent →vaixells, molins
◦ Energia de l’aigua → roda hidràulica
◦ Revolució industrial S. XIX → Màquina de vapor
◦ Carbó vegetal
◦ Carbó mineral
◦ Motor d’explosió → benzina, petroli
◦ Gas natural
◦ Energia nuclear
15
En funció
de la seva
naturalesa
Primàries:
Es troben a la
natura, com la
llenya, l’aigua, el
carbó i el petroli
Secundàries:
S’obtenen a
partir de les
primàries, com
l’electricitat i la
benzina16
En funció
de les
reserves
disponibles
Renovables:
tenen
reserves
il·limitades
Provenen del
Sol, vent,
mar, aigua
dels rius,
biomassa,
dels residus
sòlids
No
renovables
Carbó,
petroli, gas
natural, urani
17
En funció
del grau
d’utilització
Convencionals
Petroli, gas
natural, carbó,
energia
hidroelèctrica,
nuclear
No
convencionals
Solar, eòlica,
biomassa, ...
18
combustió
Materials + oxigen energia calorífica
combustibles
Combustibles
fòssils
Sòlids:Carbó
Líquids:
Destil·lació del
petroli(benzina,
querosè,
gasoil,fuel)
Gasosos:Gas natural,
butà, propà
19
És l’energia que es desprèn en la combustió completa de la unitat de massa o volum d’un combustible.
tornar
20
cpmE
cpVE
E: Energia produïda en la combustió (J)
21
pc: Poder calorífic (MJ/m3, MJ/l)
pc: Poder calorífic (MJ/kg)
m: massa consumida (kg)
V: volum consumit (m3, l)
Segons unitats pc
Determina l’energia calorífica que s’obté en la combustió de 15 litres de benzina. (dbenzina=0,7kg/l)
Taula pc
24
La taula mostra el pc del gasos en condicions normals: 101300 Pa (1 atm)
0ºC de temperatura
En condicions diferents de pressió i temperatura el poder calorífic es calcula:
P:pressió en Pa 1atm=101300Pa T:temperatura en ºC K=273+ºC
T
pCNpp cc
273
273
101300)(
26
Calcula l’energia calorífica que s’obté en la combustió de 70 l de gas butà que es troba a 250000 Pa i 20ºC de temperatura.
Taula pc
28
És la quantitat de calor que ha de rebre una substància per elevar la seva temperatura en 1 K o 1ºC.
Així la quantitat de calor necessària per elevar la temperatura d’un cos des de T1 fins a T2
és:
)()( 1212 TTcmTTCQ e
Ckg
kJc OHe
º18,4)(
2
1cal=4,18 J
dH2O=1kg/l
Q: Quantitat de calor necessària en Jm:massa en kgce: calor específica del cos en kJ/kg ºC , kcal/kg ºCT:temperatura en ºC o K.
H2O
29
Calcula l’energia necessària per escalfar 50l d’aigua de 20 ºC a 80ºC.
H2O
Ckg
kJc OHe
º18,4)(
2
dH2O=1kg/l
30
Pèrdues d’energia
Combustió
Energia
consumida
Energia útil
Energia
necessària per
escalfar un cos
η
31
Energia necessària per elevar la temperatura
d’un cos
Eu
Rendimentη
Combustió d’un material
Ec
Q=m·ce·(T2-T1)
m=V·d
Eu=η·Ec
Ec=m·pc
Ec=V·pc
η
EE u
cc
c
p
Em
c
c
p
EV
)( 12 TTc
Qm
e
32Segons unitats pc
Segons unitats pc
Per escalfar 5l d’aigua de 20ºC a 100ºC s’utilitza gas butà. Calcula el volum de gas butà que serà necessari si el sistema té un rendiment del 80%. (pc=120MJ/m3)
33
Si tenim una caldera de rendiment 40%, quina quantitat d’energia podem aprofitar si cremem 60 kg de butà? (pc=49MJ/kg)
34
Potènciadesenvolupada per un vehicles
Pu
Rendimentη
Combustió d’un material
Ec
Eu=Pu·t
Eu=η·Ec
Ec=m·pc
m=V·d
Ec=V·pct
EP uu
η
EE u
c c
c
p
Em
d
mV
v
et
t
ev ;
35
c
c
p
EV
Segons unitats pc
Segons unitats pc
Calcula el consum de benzina cada 100 km d’un automòbil que desenvolupa 70 CV amb vmitjana=120 Km/h i un rendiment del motor del 36%.(dbenzina=0,78 kg/l)(pc=49MJ/kg)
36
Calcula la potència que desenvolupa un automòbil que consumeix 7l de gasolina cada 100 km a una velocitat de 110 km/h. El rendiment és del 30%. (dbenzina=0,78 kg/l)
37
La llenyà:◦ Bàsic per a la meitat
de la humanitat
◦ L’utilitzen per escalfar-se, il·luminar-se i cuinar
El carbó vegetal:◦ S’obté a partir de la
piròlisi (combustió parcial) de la llenya (amb poc oxigen).
◦ Pesa 5 o 6 vegades menys que la llenya.
39
Origen: descomposició orgànica d’extensos boscos que cobrien la Terra, submergits sota sorra i roques durant milions d’anys.
40
Tipus Origen %C Podercalorífic
Utilització Extracció
Torba Recent <60% Pobre Consum domèstic
A cel obert. Lignit Recent (cents de milions d’anys)
55-70% Baix A prop de l’extracció
Hulla Antic 75-94% Alt Carbó de coc.Alt forn Subterrània
amb pous verticalsAntracita El més
antic93-97% Molt alt Combustible
siderúrgia
41
Aplicacions
Combustible
d’ús general
Directament a les centrals tèrmiques
Per la
destil·lació
seca
(piròlisi)
s’obté
Carbó de coc, siderúrgia
Gas ciutat, utilització domèstica
Productes químics,plàstics i
fertilitzants
Gasificació:
gas de
síntesi
Combustible
Gas natural sintètic
Hidrocarburs
43
La seva importància radica en la quantitat de productes derivats que proporcionen, bàsics pel desenvolupament industrial d’un país.
Petroli brut:
Barreja
d’hidrocarburs
sense aplicació
directa
Destil·lació
a les
refineries
Productes
útils
44
Origen: descomposició de plàncton marí sobre roques sedimentàries formant bosses de petroli (líquid)
45
•Segons el punt d’ebullició s’obté : butà,
propà, benzina, gasoil, olis, fuel ...
Destil·lació
fraccionada
•Descomposició dels hidrocarburs més pesants
(olis, fuel) en més lleugers (benzines)Cracking
•Unió d’hidrocarburs lleugers (butà, propà) per
formar més pesants (benzines, gasoils)Polimerització
•Millora les característiques de les benzinesReforming
47
Directa: gas butà, propà,
benzina, querosè, gasoil,
fuel, asfalt.
Com a matèries primeres de
la indústria petroquímica:
plàstics, fibres sintètiques,
detergents, pintures...
48
És bàsicament gas metà (CH4),
formant bosses, sol o associat amb el petroli.
Transport:
Gasoductes: grans
canonades
Vaixells metaners: gas
natural liquat
49
Indústria, comerç, habitatge
Centrals tèrmiques mixtes (combinen amb fuel i carbó)
Instal·lacions de cogeneració (electricitat i calor)
Indústria petroquímica com a matèria primera
50
Primera família: gas ciutat o manufacturat
Pc de 17 a 23 MJ/m3
Segona família: gas natural i aire propanat
Pc de 42 a 55 MJ/m3
Tercera família: gas butà i propà
Pc de 94 a 120 MJ/m3
51
Estructura de l’àtom
++
-
-
-
Nucli: protons + neutronsMassa: 1,6725 10-27 kg 1,6725 10-27 kg Càrrega: +1,602 10-19 C 0 C
Z: Nombre atòmic N
Escorça: electronsMassa: 9,1091 10-31 kg Càrrega: -1,602 10-19 C
+
-
A(nombre màssic) = Z (nombre atòmic) +N (nombre de neutrons)
52
El nombre atòmic (Z, nombre de protons) determina un element.
Un element es pot presentar amb diferents nombres màssics. Pot tenir diferent nombre de neutrons en el nucli.
Isòtops: Àtoms del mateix element amb diferent nombre màssic.
Per indicar l’estructura d’un element X ho fem així:
XA
ZA=Z+N
A(nombre màssic) = Z (nombre atòmic) +N (nombre de neutrons)
53
És l’energia continguda en el nucli dels àtoms.
Quan neutrons i protons formen el nucli la massa total és inferior a la que tenen per separat.
Aquesta massa es transforma en energia d’enllaç.
2cmEE: Energia (J)M: massa (kg)C: vel. Llum 3·108 m/s
56
Transformació nuclear en la que el nucli emet radiacions a gran velocitat (≃c).
Alfa(α)Partícules
positives,
nuclis d’heli
Poc
penetrants
Beta (β)
Partícules
negatives,
electrons
Més
penetrants
Gamma(γ)Fotons, llum
no visible
Molt
penetrants
++
-
Paper, cm aire
Alumini, m aire
Plom, formigó 57
Tipus
NaturalDe forma
espontània
Artificial
Isòtops
radioactius
artificials
S’obtenen amb el
bombardeig del
nucli amb α,β,γ i
neutrons
Al emetre radiacions l’element radioactiu es va desintegrant
58
Qualsevol procés de transformació que implica el nucli de l’àtom s’anomena reacció o transmutació nuclear.
Amb la radioactivitat es poden aconseguir petites quantitats d’energia.
Hi ha dos tipus de reaccions nuclears en què es poden aconseguir grans quantitats d’energia:
Reaccions
nuclears
FUSIÓ
FISSIÓ
59
Unió de nuclis lleugers per formar més pesants
Aquestes reaccions desprenen molta energia
Es produeixen al sol i les estrelles
La dificultat radica en la alta Tª per començar la fusió. La matèria a aquesta Tªés un plasma difícil de confinar.
60
Ruptura del nucli per impacte d’un neutró
Reacció en cadena L’energia alliberada
és molt gran:◦ Explosió nuclear (de
manera sobtada)◦ Reactor nuclear
(controlat)
Combustible: urani natural i urani enriquit.
61
En la fissió d’un kg d’urani desapareixen 0,67g de matèria. Calcula l’energia que es desprèn.
Calcula quanta quantitat de carbó s’ha de cremar per aconseguir aquesta mateixa quantitat d’energia . (PC= 29 MJ/kg)
63
El consum d’energia és un indicador del desenvolupament d’un país: ◦ EEUU i Canadà 8 TEP
◦ Japó 4 TEP
◦ Unió Europea 3,8 TEP
◦ Tercer Món 0,5 TEP
Reserves: ◦ Petroli: 40 anys
◦ Gas natural: 70 anys
◦ Carbó: 200 anys
◦ Urani: 100 anys
TEP: Tones equivalents de petroli
Per habitant i any. Dades 2004
64
L’extracció, els processos d’obtenció i la utilització dels combustibles fòssils i dels materials radioactius produeixen impactes en el medi natural.
Els més importants:◦ L’electe hivernacle
◦ La pluja àcida
◦ Les boires fotoquímiques
◦ La contaminació radioactiva
65
Elevació de la temperatura de la atmosfera degut a gasos hivernacle(CO2, H2O, CFC, òxid nitrós, metà i ozó):◦ Deixant passar la
radiació solar
◦ No deixen sortir la radiació cap a l’espai
66
Provoca canvis en:◦ La producció agrícola◦ L’elevació del nivell del
mar
Hi ha compromisos a nivell mundial per a reduir les emissions de CO2, com:◦ Reduir el consum◦ Millorar el rendiment◦ Plantar més arbres ... ◦ (Protocol de Kioto)
La 15ena Cimera de les Nacions Unides sobre el Canvi Climàtic va que es va celebrar a Copenhaguen (Desembre 2009) , va ser un fracàs, però es van acordar reduccions per més de 400 organitzacions d’arreu del món i un pla d’ajuda als països més desafavorits.
67
Òxids de
sofre ( SOx)
Òxids de
nitrogen
(NOx)
Vapor
d’aigua,
llum i
oxigen
Pluja
àcida
•Es produeixen al cremar combustibles fòssils•Causa la lixiviació o separació de nutrients bàsics del sòl i priva a la vegetació d’aquests nutrients vitals.•Activa els metalls pesants , els quals contaminen les aigües.•Erosiona les pedres i això afecta a edificis i monuments.
Seca(partícules) Humida
(pluja i neu)
68
Cúpula d’aire calent sobre les ciutats amb partícules de fum produïdes per:◦ Cotxes◦ Centrals tèrmiques◦ Indústries
Provoca problemes de salut humana (conjuntivitis, sinusitis, asma, mal de coll i problemes a la vegetació i a les collites
70
Produïda per:◦ Emissions radioactives
(accidents)◦ Gestió dels residus
radioactius Gasosos Líquids Sòlids de mitjana i baixa
activitat Sòlids d’alta activitat
Causa la destrucció de molècules, amb el consegüent perill per l’home (càncer), l’agricultura ...
Ex. 1986 Txernòbill
71