Clase 11 · Energía eléctrica
De la fuente al enchufe
Macroscópico
Idea central. Casi toda la electricidad se produce con el mismo esquema, y en cada paso de la cadena una parte de la energía se dispersa como calor.
Qué necesitás traer
- Unidad 1 del programa
Recordatorio corto de la Unidad 1: la energía se presenta en distintas formas (química, térmica, de movimiento, eléctrica), puede transformarse de una forma en otra y se conserva: no se crea ni se destruye.
Desarrollo
Calor y trabajo
James Joule armó un experimento con unas pesas que, al bajar, hacían girar unas paletas dentro de un recipiente con agua. Las paletas revolvían el agua y el agua se calentaba: la energía de las pesas que caían terminaba como movimiento desordenado de las moléculas de agua, es decir, como aumento de temperatura.
| Qué hizo | Qué observó | Qué concluyó |
|---|---|---|
| Hizo trabajo sobre el agua (pesas que bajan y paletas que giran) | El agua subió de temperatura, igual que si se la hubiera calentado con una llama | Trabajo y calor producen el mismo efecto: son dos maneras de transferir energía |
La equivalencia medida es:
$$1\ \mathrm{kcal} = 4186\ \mathrm{J}$$
Una kilocaloría de calor y 4186 joules de trabajo transfieren la misma energía. Por eso en una central se puede pasar de calor a movimiento y de movimiento a electricidad: siempre es energía que cambia de forma.
La cadena, etapa por etapa
Las centrales de carbón, las nucleares, las solares térmicas y la mayoría de las geotérmicas usan el mismo esquema: calientan agua, el vapor mueve una turbina y la turbina mueve un generador (EIA). En el generador, un imán que gira dentro de bobinas de alambre produce corriente eléctrica.
- Fuente. Entra la energía química del combustible (en una nuclear, la energía liberada al partirse átomos).
- Caldera. El combustible se quema: la energía química pasa a calor, que convierte el agua en vapor.
- Turbina. El vapor empuja las palas y hace girar el eje: el calor pasa a energía de movimiento.
- Generador. El giro del imán dentro de las bobinas produce electricidad: el movimiento pasa a energía eléctrica.
- Transmisión. Los cables llevan la energía eléctrica hasta el enchufe.
Tabla de la cadena
| Etapa | Energía que entra | Energía que sale | Qué se pierde y adónde va |
|---|---|---|---|
| Caldera | Química (combustible) | Calor en el vapor | Calor que se va con los gases calientes por la chimenea |
| Turbina | Calor del vapor | Movimiento de giro | Calor que queda en el vapor usado y se entrega al agua de refrigeración |
| Generador | Movimiento de giro | Eléctrica | Calor por rozamiento y por el calentamiento de las bobinas |
| Transmisión | Eléctrica | Eléctrica en el enchufe | Calor por el calentamiento de los cables |
En ninguna etapa la energía desaparece: la que no sigue por la cadena se dispersa como calor en el ambiente, y ya no se puede aprovechar para hacer girar la turbina.
Rendimiento
El rendimiento de una conversión es la fracción de la energía entregada que sale como energía útil:
$$\eta = \frac{E_{\text{útil}}}{E_{\text{entregada}}}$$
donde $\eta$ (se lee «eta») es el rendimiento, $E_{\text{útil}}$ la energía que sale en la forma buscada y $E_{\text{entregada}}$ la que entró. Siempre es menor que 1 (menor que 100 %).
| Centrales en EE. UU., 2024 | Energía que consumen para generar 1 kWh | Rendimiento | Energía dispersada como calor |
|---|---|---|---|
| Carbón | 10.777 Btu | $\eta = 3412 \div 10777 \approx 0{,}32$ (32 %) | 68 % |
| Gas natural | 7.754 Btu | $\eta = 3412 \div 7754 \approx 0{,}44$ (44 %) | 56 % |
| Nuclear | 10.443 Btu | $\eta = 3412 \div 10443 \approx 0{,}33$ (33 %) | 67 % |
Caso trabajado con la central de carbón: de cada 100 unidades de energía química que entran, salen de la central unas 32 como electricidad y unas 68 se dispersan como calor. Y $32 + 68 = 100$: la energía se conserva.
La electricidad no es una fuente
La EIA lo dice así: la electricidad es una fuente de energía secundaria, porque se produce convirtiendo fuentes primarias (carbón, gas natural, energía nuclear, solar, eólica), y es un vector de energía: la transporta hasta donde se usa.
- El enchufe no produce energía: entrega energía que se produjo en otro lado.
- La electricidad no «viene de ningún lado»: viene de una central y de lo que esa central convirtió.
- Por eso la pregunta correcta frente a cualquier consumo eléctrico es de dónde viene: de qué fuente y, en la clase 12, de qué reservorio de carbono.
Animación
Descripción de la animación
La animación muestra la energía como una banda azul que avanza de izquierda a derecha. Al principio la banda es ancha y está rotulada «100 %»: es la energía química del combustible que entra a una central térmica.
La banda pasa por tres etapas. En la caldera, el combustible se quema y su energía pasa a calor. En la turbina, el vapor caliente hace girar un eje: energía de movimiento. En el generador, el giro se convierte en electricidad. En cada etapa una parte de la energía se desvía como una flecha naranja hacia un recuadro que dice «calor dispersado al ambiente», y la banda azul se hace más angosta. Cuánto se pierde en cada etapa no está en las fuentes leídas, y la animación lo aclara: el reparto es un esquema.
Al salir de la central queda una banda angosta rotulada «32 %». Ese valor es el rendimiento medio de las centrales de carbón de Estados Unidos en 2024 según la EIA. El recuadro de calor muestra el resto: 68 %.
La animación cierra con la suma escrita: 100 % es igual a 32 % de electricidad más 68 % de calor dispersado, y con la frase «la energía no desaparece: se dispersa como calor».
Fuente: EIA, Electric Power Annual, Tabla 8.1 (2024). Esquema, no está a escala real.
Láminas para descargar
Fuente primaria y vector
Actividades
1. El rendimiento de toda la cadena
Usá estos valores de ejemplo (inventados para el ejercicio, no son datos de una central real): caldera $\eta_1 = 0{,}9$; turbina $\eta_2 = 0{,}4$; generador $\eta_3 = 0{,}95$.
- Empezá con 100 unidades de energía química. Calculá cuántas salen de la caldera, cuántas de la turbina y cuántas del generador.
- Mostrá que el rendimiento total es el producto $\eta_{\text{total}} = \eta_1 \cdot \eta_2 \cdot \eta_3$.
- Explicá en palabras qué significa el número que obtuviste: de cada 100 unidades que entran, ¿cuántas llegan como electricidad y dónde están las demás?
- ¿En qué etapa se pierde más? ¿Cambiaría mucho el total si mejoraras la etapa que ya tiene 0,95?
Ver el resultado para comparar
$100 \cdot 0{,}9 = 90$; $90 \cdot 0{,}4 = 36$; $36 \cdot 0{,}95 = 34{,}2$. Rendimiento total: $0{,}9 \cdot 0{,}4 \cdot 0{,}95 = 0{,}342$. De cada 100 unidades, unas 34 salen como electricidad y unas 66 se dispersaron como calor en las tres etapas.
2. Sin caño de escape
Afirmación a defender: un auto eléctrico no tiene emisiones en el caño de escape, y aun así puede tener asociadas emisiones de CO₂.
Autoevaluación
Ocho preguntas. Al elegir una opción aparece una explicación: leela aunque hayas acertado.
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