Fundamentos de la Energía y Electricidad: Conceptos Clave en Física

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Conceptos Fundamentales de Energía

La energía es una magnitud física fundamental. Su unidad en el Sistema Internacional es el Julio (J), aunque en el ámbito eléctrico es común usar el kilovatio-hora (kWh).

La relación entre energía, potencia y tiempo se expresa como:

E = P · t = V · I · t (kWh)

Transformaciones Energéticas y Pérdidas

En cualquier transformación de energía, una parte de esta se transfiere en forma de calor no útil, lo que se conoce como pérdidas energéticas.

Las transformaciones energéticas se realizan en las máquinas. Estas consumen una energía o trabajo de entrada (Wc) y devuelven un trabajo útil (Wu) inferior al primero. La diferencia entre el trabajo consumido y el útil son las pérdidas (Wp).

Wp = Wc - Wu

Donde n (rendimiento) es la relación entre el trabajo útil y el trabajo consumido (n = Wu / Wc).

Fuentes y Clasificación de la Energía

Las fuentes de energía son aquellos elementos de los que podemos obtener energía, como por ejemplo: el agua, el carbón, el petróleo, el viento, etc.

Las energías se pueden clasificar:

  • Según su origen: primarias y finales.
  • Según su disponibilidad: renovables y no renovables.

Energías Renovables

Son aquellas con reservas ilimitadas o que se regeneran naturalmente a una escala de tiempo humana. Incluyen:

  • Solar
  • Eólica
  • Hidráulica
  • Geotérmica
  • Biomasa
  • Residuos sólidos urbanos
  • Energía mareomotriz
  • Energía de las olas

Energías No Renovables

Son aquellas con reservas limitadas que se agotan con su uso o cuya regeneración es extremadamente lenta. Incluyen:

  • Carbón
  • Petróleo
  • Gas natural
  • Energía nuclear

Electricidad y Consumo Energético

Potencia Eléctrica

La potencia eléctrica (P) es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. Se calcula como el producto del voltaje por la corriente eléctrica.

Potencia eléctrica (W) = Voltaje (V) × Corriente eléctrica (A)

Donde:

  • Potencia eléctrica se mide en vatios (W).
  • Voltaje se mide en voltios (V).
  • Corriente eléctrica se mide en amperios (A).

Cálculo del Consumo Eléctrico

Para calcular el consumo de energía eléctrica de un equipo, primero debes conocer el valor de su potencia eléctrica, generalmente expresado en vatios (W), y las horas de encendido del equipo (horas de uso promedio por día). Luego, se aplican dichos valores en el siguiente cálculo:

Energía Eléctrica (Wh) = Potencia Eléctrica (W) × Tiempo de uso (h)

Las unidades obtenidas al aplicar la fórmula anterior son vatios-hora (Wh). Este valor se debe multiplicar por la cantidad de días de uso al mes y dividirlo entre 1000 para obtener los kilovatios-hora (kWh) que se indican en el recibo eléctrico (1000 Wh = 1 kWh).

Tipos Específicos de Energía

Energía Eólica

Se conoce como energía eólica al aprovechamiento de la energía del viento por el ser humano. Antiguamente se utilizó para propulsar naves marinas y mover molinos de grano. Hoy se emplea sobre todo para generar energía limpia y segura.

La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, no contribuye al efecto invernadero ni a la lluvia ácida, y no origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes.

Energía Hidráulica

Son aquellas centrales que utilizan energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda. En general, estas centrales utilizan la energía potencial que posee la masa de agua de un cauce natural en los desniveles. Cuando el agua cae entre dos niveles de altura, se hace pasar por una turbina hidráulica, la cual transmite la energía a un alternador que la convierte en energía eléctrica.

Torre para el Transporte de Energía Eléctrica

La red de transporte es la parte del sistema eléctrico constituida por los elementos necesarios para llevar la energía generada en las centrales eléctricas hasta los puntos de consumo a través de grandes distancias. Para ello, los volúmenes de energía eléctrica producidos deben ser transformados, elevándose su nivel de tensión.

Principios de Movimiento y Velocidad

Velocidad Lineal y Angular

  • Velocidad lineal o rectilínea (v): Es el espacio recorrido por unidad de tiempo.

    v = e / t (m/s)

  • Velocidad angular (ω): Es el ángulo recorrido por unidad de tiempo.

    ω = α / t (rad/s)

  • Velocidad de giro (n): Es equivalente a la velocidad angular, pero expresada en revoluciones o vueltas por minuto (rpm).

Equivalencia y Relación de Velocidades

Equivalencia entre Velocidad de Giro y Velocidad Angular

n = (2πω) / 60

Relación entre Velocidad Rectilínea y Velocidad Angular

v = ω · r

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