Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Génesis de la energía
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Del curso dictado por Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
145 calificaciones
De la lección
El origen de la energía
En este módulo aprenderás las definiciones del concepto de energía, las interacciones que la originan, los modelos que la describen y los sistemas que se emplean para medirla.
Conoce a los instructores
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
[música]
Bienvenidos a esta nueva sesión del curso de energías sustentables,
mi nombre es Julio Vergara,
profesor de la escuela de ingeniería UC.
En esta ocasión se verán las interacciones fundamentales
aplicadas a la producción o liberación de energía,
que luego como sabemos se propaga
en el medio por revolución electromagnética,
que es otra interacción fundamental,
de igual modo,
se verá el origen de las formas de energía primaria
usadas en la tierra.
Las interacciones fundamentales
también sirven para explicar el origen de la materia que integra el sol,
desde donde surge la energía en la forma que hoy usamos,
la teoría vigente
sostiene que los bloques fundamentales de la materia existente en el universo
se comenzaron a formar instantes después del Big Bang
ocurrido hace 13,7 mil millones de años
antes de 10 minutos
transcurrido
el Big Bang, se integran los primeros quarks, en neutrones y protones libres.
La mayoría de los neutrones decayeron y algunos pares formaron Helio
mientras el fondo se enfriaba,
con ello se congelaba la proporción química inicial del universo
en 73% de hidrógeno,
25% de Helio cuatro
y menores proporciones relativas de Deuterio, Tritio, Helio tres,
Litio siete y Berilio siete, repartidas en polvo estelar,
pasaron 400 millones de años de enfriamiento
antes que la gravedad empezara a integrar estrellas enormes.
Que comenzarían a fusionar protones en Helio cuatro,
debido a la alta temperatura
empezaron a fabricar otros isótopos
más pesados que el Helio
por lo que se tornaron inestables y colapsaron a los pocos millones de años
creando más neutrones y produciendo con ello
otros isótopos crecientemente pesados.
Varios ciclos milenarios de maquila isotópica,
llevan a la creación de nuevas galaxias,
estrellas y después planetas.
La vía láctea comienza a formarse 4900
millones de años después del Big Bang,
mientras que el sistema solar,
comienza a formarse 9100 millones de años después del Big Bang.
El sol concentró Hidrógeno y Helio, como el promedio del universo temprano,
los primeros planetas resultaron más más rocosos como Mercurio, Venus,
Tierra, Marte, con isótopos livianos y pesados
y gaseosos como Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.
Con predominio de Hidrógeno, Helio y Metano, líquido y sólido,
gráficamente vemos la formación
del sistema solar
después del Big Bang,
otra forma de ver la formación del sistema solar
es mediante el Diagrama Hertzsprung-Russell,
que grafica la luminosidad y temperatura superficial de las estrellas dispersas
en relación al sol que se ubica en el medio,
no es un diagrama de posición, sino que ve energía relativa.
Las estrellas se ubican en la secuencia principal durante su vida útil,
que es la nube diagonal central que se aprecia en este diagrama,
las estrellas se forman a partir de materia protosolar
y se ubican energéticamente en alguna alguna posición de la secuencia principal
según su masa,
las estrellas más grandes y calientes estarán a la izquierda arriba,
y las más pequeñas y frías se ubican abajo a la derecha.
Las que toman más tiempo para formarse, pero además viven mucho más tiempo.
El cuadro de abajo, muestra la formación del sol,
en relación al reloj de la tierra,
y aquí se puede apreciar el estado actual del sol,
ciertos isótopos menores,
como el Hidrógeno, Deuterio,
Helio tres y otros,
si se vencen las barreras electromagnéticas repulsivas,
pueden integrarse en elementos mayores,
que resultan levemente más livianos que sus precursores
lo que lleva a liberar energía por fusión nuclear.
Igualmente los elementos más pesados, como Uranio o Torio,
disponibles en los planetas rocosos,
pueden partirse
en elementos menores
o mutar y luego partirse en dos productos,
al ser impactados con neutrones,
la masa resultante, también resulta menor que la masa del isótopo original
más el neutrón en este caso
que lleva a liberar energía
por fisión nuclear.
Este es un cuadro de energía de enlace por nucleón
o hadrón respecto al tamaño del núcleo atómico,
o su número de nucleones,
siguiendo la línea amarilla
se aprecia que los isótopos menores, como Hidrógeno, Deuterio, Helio tres
y otros, tienen menor energía de enlace y por ende
tienen menor estabilidad relativa,
para que ocurra la fusión,
los protones del núcleo deben vencer una enorme repulsión electromagnética
y acercarse a los núcleos que hace el contacto
La fusión une los isótopos hacia la derecha,
la fisión no puede ocurrir de esta manera, porque sería muchos protones en repulsión,
no obstante, los isótopos mayores como el Uranio,
también tienen menor estabilidad relativa,
según la línea amarilla
y pueden partirse al incorporar neutrones
que no tienen problemas para vencer campos repulsivos,
la fisión parte isótopos hacia la izquierda.
En este caso los círculos muestran los recursos de mayor interés de la fusión
y la fisión nuclear,
pequeña diferencia de masa, del orden de 10 elevado a menos 27 kilos
según la relación de Einstein
resultan en una ganancia energía igual
a la pérdida de masa por C al cuadrado,
para percibir las magnitudes
una reacción química libera unos cuatro electrón Volts de enlace electrónico
No millones de electrón volts enlace nuclear,
un evento de fusión libera entre cinco y 27 millones de electrón volts
según el combustible usado,
un evento de fisión, libera aproximadamente
200 millones de electrón volts,
más adelante veremos reactores tecnológicos para extraer la
energía enlace del núcleo atómico.
Al igual que otras estrellas
en algún momento se acabará el sol,
este viene agotando su combustible y comenzara a fusionar Helio cuatro.
Creando isótopos más pesados
o aumentando su tamaño y temperatura
en millones de años más, las condiciones de la tierra
no serán tolerables
y eones después
el sol dejara de funcionar y colapsará,
la materia no se acabara,
el sol sí,
el ocaso de nuestra principal fuente de energía
se puede apreciar en el reloj de la tierra,
antes de las 10:00 AM
el mar estará en ebullición, insoportable para la vida,
y pasado el mediodía el sol se hinchará y luego colapsará
En algunos millones de años la sociedad, si aún existe,
deberá buscar otro lugar dónde continuar,
el ocaso del sol se puede ver en el diagrama Hertzsprung-Russell,
cuando se hayan formado suficientes elementos pesados,
el sol saldrá de la secuencia principal
y se volverá una gigante roja,
después de algunos millones de años colapsará en una enana
Podemos resumir que el universo quedó excedido en Hidrogeno y Helio,
las estrellas tempranas comenzaron a crear elementos más pesados y a colapsar,
las siguientes estrellas formaron otros elementos más pesados,
la interacción electromagnética de la energía radiante
con los fluidos de la tierra,
ha producido nuestros recursos energéticos,
el sol libera energía de enlace mediante
fusión nuclear,
en ciertos planetas
y en reactores
se puede liberar energía de enlace fuerte
por fisión nuclear.
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