4. Materiales de uso técnico (teoría)

4. 1. CLASIFICACIONES:  

          Los materiales se pueden clasificar dependiendo de sus características como en la siguiente imagen:

        También podemos clasificarlos dependiendo del esfuerzo físico al que se les somete:

4. 2. ENSAYOS DE MATERIALES:

    Son pruebas sobre muestras de materiales (probetas) para evaluar sus características. Siempre se rompe para llegar hasta su límite. En función del uso del material, se le somete a un determinado ensayo.

4. 2. 1. TRACCIÓN.

        Consiste en estirar lentamente una probeta hasta que se rompe. A continuación, se analizan los alargamientos producidos a medida que aumenta la fuerza. Normalmente sigue este esquema:

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4. 2. 2. FATIGA.

        Se somete al material a un giro continuo, al mismo tiempo  que se deforma (flexión), hasta que pierde sus propiedades.

4. 2. 3. DUREZA.

        Con una máquina se presiona un material, con el que haces una huella en el material. Después, se mide esa huella para calcular su dureza conforme esta.

4. 2. 4. RESILIENCIA.

        Determina la energía necesaria para romper una probeta del material mediante el impacto de un péndulo (péndulo de Charpy). Después de haber roto la probeta, la energía restante hará ascender el péndulo en un ángulo neta, que se medirá para calcular su resiliencia.

 4. 3. ESTRUCTURA INTERNA:

        La mayoría de metales se ordenan en una estructura cristalina (átomos claramente ordenados y repetitivas).  La unión entre átomos de los metales es de enlace metálico (electrones compartidos a una nube electrónica)  por lo que tiene alta movilidad y gran conductividad. 

4. 3. 1. BBC.

    

 Cada uno de los vértices contribuyen con un 1/8 de átomo, (1) + 1 átomo en el centro = 2 átomos.

4. 3. 2. FCC.

Cada uno de los vértices contribuyen en 1/8 de átomo (1) + cada una de las caras que contribuyen en 1/2 de átomo (3) =  4 átomos.

4. 3. 3. HCP.

Las caras superior e inferior contribuyen con 1/2 cada una (1) + 3 átomos en el centro + cada vértice aporta 1/6 (2) = 6 átomos

4. 4. SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES:

    Al bajar la temperatura, el material se forma alrededor de la impureza. Mantiene la temperatura cuando está en el calor latente (energía necesaria para el cambio de fase). Se da un crecimiento y se baja la temperatura. El material pasa de líquido a sólido formando estructuras llamadas granos, que es la unión de los núcleos. Si la velocidad de enfriamiento fue lenta, se crearán granos gruesos, y si fue rápida, se crearán granos finos. Esto afecta a las propiedades del metal.

4. 5. TRANSFORMACIONES DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA:

    Partimos de hierro fundido (líquido) con desordenación total     de átomos ( a más de 1538 ºC, el hierro está fundido). Al             enfriarlo a una velocidad rápida, hasta que llegas a los             1538ºC, en ese momento paramos el enfriamiento y lo                mantenemos durante el tiempo suficiente para que los                 átomos se reorganicen (en estructura BBC) formando hierro     delta. Ya organizado, se vuelve a bajar la temperatura hasta         llegar a los 1394ºC, donde se vuelve a mantener porque los      átomos se vuelven a organizar (en FCC) formando hierro         gamma. Volvemos a bajar la temperatura hasta 910ºC y se        vuelve a dejar descansar. Los átomos se organizan en BCC,        de nuevo, formando hierro alfa.

4. 6. MODIFICACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS METALES: 

    Tratamientos térmicos que consisten el en calentamiento y enfriamiento de una pieza para mejorar sus propiedades o buscar un resultado.

    4. 6. 1. TEMPLE.

    Es el más famoso. Su enfriamiento es brusco y como resultado se obtiene una pieza muy dura en la que toda la austenita se ha transformado en martensita. La martensita exterior es más dura que la interior. Un ejemplo sería la broca exterior de un taladro.

    4. 6. 2. RECOCIDO.

    Con un enfriamiento lento, las tensiones internas se liberan, permitiendo la reorganización de los átomos del acero. Se obtiene perlita blanda (buena para ser manejada y moldeada).

    4. 6. 3. REVENIDO. 

    Es complementario al temple. Su objetivo es aumentar la tenacidad de la pieza y, para ello, disminuye su fragilidad. Se obtiene martensita de gramo grueso.

    4. 6. 4. NORMALIZADO.

    Elimina tensiones y hace los gramos uniformes. La velocidad de enfriamiento se encuentra entre el revenido y el recocido. Se obtiene bainita.

3. Transporte y distribución de energía (ejercicio)

    1) El rendimiento de una caldera de butano es del 76%. Determina la cantidad de litros de agua calentados con una botella completa de 12'5 kg. El agua, inicialmente, está a 14ºC y se calienta a 35ºC. 

SOLUCIÓN: 4252'38l de agua.

3. Transporte y distribución de energía (teoría)

    Depende del tipo de energía, el transporte utilizado cambiará. 

    El petróleo se transporta por grandes buques petroleros (por mar) o por oleoconductos (por tierra).

    El gas natural se almacena en recipientes bien sellados y son transportados por barcos metaneros.

    El carbón, el más habitual, es distribuido por ferrocarril, barcos y trenes.

    Los líquidos licuados del petróleo como el butano y el propano viajan por bombonas.

    

    Una vez aprovechada la fuente energética, la energía se transporta por la red eléctrica.

                Es una red interconectada con el propósito de suministrar electricidad desde los proveedores hasta los consumidores. Para ello, se utilizan líneas de alta tensión en el recorrido entre la central y el área urbana. Al subir la tensión de la electricidad, se reduce el efecto Joule, un calentamiento del material debido al rozamiento con los electrones que transporte, es decir, la pérdida de energía en forma de calor.

           

            

2. Recursos energéticos

         2. 1.  ENERGÍA SOLAR: 

    Es la contenida en la radiación solar que es transformada en forma de energía térmica o eléctrica. Puede ser pasiva (autoconsumo), fotovoltaica (parques solares), térmica (colectores solares).

    2. 2. ENERGÍA EÓLICA:

    Energía generada a partir del viento, aire en movimiento.

    Se recolecta gracias a aerogeneradores, aeroturbinas, turbinas eólicas y se transforma esa energía cinética en energía eléctrica.

    2. 3. ENERGÍA DEL MAR:

    Es la energía renovable de las olas del mar, las mareas, las corrientes marinas, la salinidad y diferencias de temperatura del océano. 

-Undimotriz (olas): se obtiene mediante dispositivos de columna de agua oscilante.

-Mareomotriz: mediante generadores de corriente de marea o presas de marea.

-Osmótica: mediante la ósmosis por presión retardada.

-Maremotérmica: sistemas que utilizan el ciclo de Rankine.

-Corrientes marinas: turbinas bajo el mar.

 2. 4. ENERGÍA HIDRÁULICA:

    Es la obtenida a partir de la energía potencial y cinética de una masa de agua. Se puede aprovechar de una pendiente o una caída. Se obtiene en centrales hidroeléctricas.

-Centrales de bombeo puro (con bombeo): dos embalses, cuya agua es bombeada para ser reemplazada.

-Centrales de bombeo mixta (sin bombeo): sin bombeo previo ya que es alimentado por el cauce del río ( a no ser que sea demasiado pequeño).

  2. 5. BIOMASA: 

    Es materia orgánica utilizada como fuente energética originada en un proceso biológico. Se agrupan en agrícolas y forestales, junto con aguas residuales.

 La materia orgánica se hace a través de la descomposición.

    2. 6. COMBUSTIBLES FÓSILES:

    Es material vegetal y animal sepultada y descompuesta.

-Carbón: carbono, oxígeno, nitrógeno y otros compuestos de seres vivos.

-Petróleo: hidrocarburos, azufre, oxígeno, nitrógeno,... El crudo se destila para su utilización, donde además se obtienen hidrocarburos(gasolina, queroseno, gasóleo,...) y gas natural. 

    2. 7. ENERGÍA  NUCLEAR:

    Es la energía liberada por la modificación de los enlaces entre protones y neutrones en el núcleo. Su aprovechamiento es del 25%. Se puede obtener a partir de la fisión o la fusión.

-Fisión: obtenida a partir de la separación de los núcleos de uranio y plutonio (son fisionables e inestables). Produce el 20% de la energía mundial. 

-Fusión: unión de núcleos de tritio y dentenio que obtiene un núcleo aún más pesado y mayor energía. Todavía se encuentra en fase experimental.

    2. 8. RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS:

    Restos generados por actividades domesticas en núcleos urbanos (residuos limpieza, bienes abandonados o escombros). Los que mayor se generan son los residuos alimentarios y donde más, en los países de la OCDE. Se obtiene a partir de:

-Incineración: combustión térmica que genera energía eléctrica. 

-Biometanización: (fermentación anaeróbica) convierte materia orgánica en biogas (CH4, CO2)

-Compostaje: (proceso aeróbico) degradación de hongos y bacterias propias. Se obtiene abono natural.

    2. 9. ENERGÍA GEOTÉRMICA:

    Es la energía almacenada en forma de calor bajo la corteza terrestre. Es renovable, limpia y altamente eficiente. Para extraerla se tiene en cuenta la diferencia de temperatura exterior e interior.

-Yacimiento hidrotermal: ocurre cuando el magma se solidifica en forma de minerales y sus fases líquidas se enriquecen con agua. La expulsada llega a la superficie como agua termal.

-Yacimiento geopresurizado: similar al anterior, pero el agua se encuentra en estrado líquido y a mayor profundidad. Está a altas temperaturas por lo que también se puede encontrar gas natural.

-Yacimiento de roca caliente seca: se introduce un fluido y materiales permeables para portar el calor.

    

    2. 10. COMBUSTIBLES AEROESPACIALES:   

    Puede ser tanto líquido (queroseno o mezcla de elementos) o sólido (hidrógeno líquido, oxígeno líquido).

    El propelente sólido debe hacerse en el lugar donde se vaya a utilizar. Está hecho por una mezcla inerte de aluminio, óxido de hierro y productos químicos, que se le añade polvo de perclorato amónico. Se mezcla en un mezclador con cuchillas y se lleva al edificio donde se cuece dentro del cohete. Se vierte en el revistimiento y se calienta a 50ºC donde se vuelve sólido.

    2. 11. NUEVAS FORMAS DE ENERGÍA:    

            -ENERGÍA SOLAR ESPACIAL:

    Consta de placas solares en el espacio. Siempre disponible y la luz un 27% más brillante al no tener que traspasar ningún filtro. Se  enviaría por microondas aunque no se podrían autoduplicar.

               -MEDUSAS: debido a su población disparada, daña la pesca y las especies locales. Se planea utilizar sus proteínas fluorescentes para crear paneles solares renovables y sostenibles. 

               -BACTERIAS DE FLUJO: almacenar moléculas orgánicas en agua. Esto haría que la batería no fuera tóxica, una mayor vida útil y menos costo de producción. Sufre de degradamiento y requiere de un mantenimiento.

               -MÁQUINAS DE ALGAS: microalgas. Son microorganismos modificados para aumentar su eficiencia  en la captura de la luz solar y producción de energía. Necesitan CO2, por lo que ayuda a regular las emisiones de estos gases nocivos. Produce hidrógeno y parte de la luz almacenada la emite en forma de calor o fluorescencia.

A continuación dejo algunos enlaces a presentaciones donde se habla de este tema y se profundiza en cada apartado:

1. Innovación y tecnología en las nuevas formas de energía.

2.Combustibles fósiles.

3.Biomasa.

4.Energía eólica.

5. Energía solar.

6. Energía del mar.

7.Energía hidráulica

8. Residuos sólidos urbanos.

9. Energía geotérmica.

10.Combustibles aeroespaciales.

1. Energía y su transformación (ejercicios)

    1)Un avión lanza una carga de 1000kg cuando se encuentra a una altura de 800m. CAlcula su energía cinética y mecánica cuando el objeto ha recorrido una distancia de 430m. 

SOLUCIÓN: Ec=4214000J, Em=7840000J

    2)Determina la cantidad de calor por hora (kcal/h) que se transmitirá por convección a la parte alta de una cazuela llena de agua en el momento en el que la temperatura interior es de 25ºC. La temperatura en la parte inferior es de 200ºC y el diámetro de la cazuela es de 25cm. a=500kcal/m^2*h*ºC

SOLUCIÓN: 4295'1125 kcal/h

    3)¿Qué cantidad de butano habrá que quemar para obtener una energía calorífica de 10kWh? La presión es de 2atm y la temperatura, 28ºC.

SOLUCIÓN: 0'1663 m^3

1. Energía y su transformación (teoría)

Antes de hablar sobre las transformaciones y características de la energía, deberíamos definir lo que es la energía. 

    La energía es la capacidad de un cuerpo de realizar un trabajo, es decir, una transformación energética. Su unidad ene el SI es el Julio (J). Por su parte, se define potencia (J/s) como la capacidad de realizar un trabajo en un determinado tiempo. También existen otras unidades para expresar determinadas formas de energía, como la caloría, cantidad necesaria de calor para elevar un gramo de agua de 14'5º a 15'5º (1cal=4'18J).

1. 1. MANIFESTACIÓN DE LA ENERGÍA:

    Se puede manifestar de cinco formas distintas: mecánica, calorífica, química, nuclear, eléctrica.

1.1.1 MECÁNICA:

    Es la suma de las energías cinética (energía de un cuerpo debido a su velocidad, Ec) y potencial (energía de un cuerpo debido a la posición, Ep).

 

                    

1. 1. 2. CALORÍFICA O TÉRMICA:

    Es aquella que contiene un cuerpo por el movimiento de sus partículas. El calor es la energía térmica en tránsito o en movimiento.

-POR CONDUCCIÓN: el calor pasa de un cuerpo a otro de menor temperatura.

-POR CONVECCIÓN: fluidos, por ejemplo, un radiador.

Q= a*S*(Tf-Ti)*t

a= coeficiente de convección

S= superficie

T= temperatura

t=tiempo

-POR RADIACIÓN: en forma de ondas electromagnéticas.

Q= c*S*((T2/100)^4-(T1/100)^4)*t

c= coeficiente de radiación

T2= temperatura absoluta del cuerpo que irradia

T1=temperatura absoluta del cuerpo irradiado

1. 1. 3. QUÍMICA:

    Se origina cuando dos o más productos químicos reaccionan con el oxígeno (exotérmica).

1. 1. 4. NUCLEAR:

    Es la contenida en determinado átomos (exotérmica).

1. 1. 5. ELÉCTRICA:

    La proporciona la corriente eléctrica.

1. 2. TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA:

    En las transformaciones siempre se cumple el primer principio de la termodinámica, "la energía nop se crea ni se destruye, solo se transforma" 

E= Ef-Ei = Q*W

-RENDIMIENTO: relación entre trabajo realizado y la energía necesaria para hacer el trabajo.