Bienvenidos a esta nueva sesión del curso Energías Sustentables. Mi nombre es Julio Vergara, profesor de la Escuela de Ingeniería UC. En esta ocasión conoceremos las unidades de la energía y la potencia, y además apreciaremos órdenes de magnitud en la producción de la energía junto con niveles de consumo actuales. La energía puede medirse asignándole unidades como calorías, unidades térmicas inglesas,ergs o electron-volts, que se usa en la escala atómica. La escala galáctica se usa el VT o FOE que es acrónimo de Fifty-One Ergs, o 10 elevado a 51 ergs. Ejemplo, una supernova entrega un FOE en algunos segundos, en el sistema internacional de medidas están unificadas en Joule, en reconocimiento de James Joule. Suelen usarse junto, o en vez de potencia, que es la tasa a la cual se realiza la energía. Algunas unidades tempranas fueron el caballo de fuerza, el caballo de vapor o el caballo de fuerza métrica, libras pies por minuto, kilogramo metro por segundo, poncelet, BTU por hora y otros, los que fueron reemplazados por el watt en reconocimiento a James Watt. Como la potencia es la tasa a la cual se realiza la energía, también es válido usar unidades de watt por segundo en la energía. La industria eléctrica suele usar el watt-hora con algún prefijo, por ejemplo, el kilowatt-hora o el megawatt-hora, es común que la industria de la energía use unidades de equivalencia a sus propios productos. Por ejemplo, el TOE o Toneladas de Petróleo Equivalente, o el TCE, Toneladas de Carbón Equivalente. En esta S invertida podemos apreciar la escala de energía en joule, aumentando 10 veces cada vez de distintos fenómenos naturales y tecnológicos que parte de un valor muy pequeño, arriba a la izquierda. Donde se aprecia la energía electromagnética de un fotón de radio de amplitud modulada, y termina en valores muy altos acá abajo, por ejemplo, en una estimación de la energía del universo. En 10 elevado a 69 joules, arriba, cerca de 10 elevado a menos 20, aparece la energía liberada en la combustión de una molécula de combustible fósil. Y más a la derecha, la fusión de dos isótopos de hidrógeno, y un poco más a la derecha de un isótopo de uranio. En la bajada se aprecia la energía estimada del mayor rayo cósmico, otro poco más abajo la energía cinética de un auto, la un litro bencina, una tonelada de carbón o de hidrógeno. También se ve la energía cinética de un Airbus 380, y la del combustible que porta cerca de 10 elevado a 14 se ve la energía de la fisión de un kilogramo de uranio Se puede ver la energía disipada en la erupción del Krakatoa en 1883, y más a la izquierda la energía disipada del terremoto de Valdivia, que tuvo una magnitud de 9,5 en la escala de Richter Antes de ese valor se ve el modo de la energía eléctrica de un año, la energía primaria de un año y la energía disponible en las reservas de carbón y uranio. Más abajo se ven las reservas de deuterio para fusión, con eso se puede ver que el carbón podría servir para alimentar toda la electricidad durante más de 100 años. Y el uranio más de 1.000 años. Más abajo se ven las escalas de la energía del Sol, supernovas de la Vía Láctea y del universo. La zona sombreada muestra el rango de energía de mayor interés tecnológico actual. En esta lista se pueden ver algunas figuras macro de la demanda. Con una población actual de 7.500 millones de personas, y una superficie de 150 millones de kilómetros cuadrados. Se tiene una densidad poblacional de 50 personas por kilómetro cuadrado, esta población demanda una producción anual de 580 exajoules de energía primaria, lo que da 77 gigajoules por persona. En el área eléctrica, que representa un quinto de la energía global, se producen unos 24 petawatts a partir de una capacidad instalada de 5.500 gigawatts. La sociedad utiliza más de 1.000 millones de vehículos entre autos, camiones, aviones, trenes y otras formas de transporte. Para la producción de infraestructura se producen 1.600 millones de toneladas de acero, 50 millones de toneladas de aluminio y 4.200 millones de toneladas de cemento cada año. Con la producción industrial la sociedad emite 35 gigatoneladas de CO2 y 550 millones de toneladas de metano cada año. Con esto, la emisión per cápita de gases de efecto invernadero supera las seis toneladas per cápita El consumo eléctrico es parte relevante del consumo de energía, con una participación del 20%, que se correlaciona además con el nivel de desarrollo humano. Con un consumo per cápita global de 3.200 kilowatts hora se pueden ver en azul, en esta figura, los países que más electricidad consumen, y en terracota y rojo los de menor consumo, y por ende de muy bajo desarrollo humano y económico. Que se concentran en África y en Asia. Las posturas macro de potencia necesarias para el cuerpo humano se aprecian acá. El gasto en los órganos va desde dos watts para el corazón, hasta 30 watts para el cerebro, sumando el cuerpo en reposo consume casi 100 watts, y en ejercicio muy intenso hasta 500 watts. La ingesta de un caramelo puede proveer cinco watts y la de una dieta normal unos 350 watts. Los equipos tecnológicos exigen un amplio rango de potencia, un lector de CD o un reloj digital tendrán un consumo de una fracción de watts. Un teléfono celular consumiría un watt, un iPad 10 watts, y un laptop unos 50 watts, un automóvil pequeño comercial puede disipar unos 50 kilowatts, y uno de alto rendimiento hasta 400 kilowatts. Un generador eléctrico mediano puede producir 200 kilowatts, un generador eólico mayor puede llegar a los ocho, así como un reactor nuclear puede ir desde los 15 hasta los 1.700 megawatts, según la aplicación. una planta termoeléctrica normalmente supera los 300 megawatts, una central hidroeléctrica compuesta de múltiples turbinas puede ir desde los 500 megawatts fácilmente hasta los más de 20 gigawatts. Un ejemplo notable de potencia es la primera etapa del cohete Saturno V, con cinco motores F1, que sumaban 140 gigawatts. Algunos de los equipos tecnológicos recién mostrados aparecen en esta figura Desde dispositivos electrónicos comunes, pasando por diversos vehículos de transporte, como los automóviles, los trenes, el avión y los buques. Hasta un par de grandes plantas generadoras de electricidad en los motores del Saturno cinco. En esta S podemos apreciar la escala de potencia en watts de distintos fenómenos tecnológicos de uso común, partiendo por la potencia de pequeños sistemas electrónicos. A la vuelta de la S vemos potencia de sistemas computacionales típicos, 1.000 veces más potente es un vehículo, lo cual da la idea que no es tan útil desenchufar el cargador de un celular, como manejar a baja velocidad. Bajando por la curva se aprecia la potencia de pequeñas plantas de generación eléctrica, como turbinas eólicas, después reactores y plantas a gas. Se muestra en la parte plana central la potencia del reactor prototipo de fusión que vendrá después de ITER. Y varios láseres de alta potencia, le siguen en la escala la potencia del centro de la Tierra, lo que se recibe desde el Sol, y luego las potencias de escala solar y galáctica. La zona sombreada muestra el rango de potencia de mayor interés tecnológico actual, y la segunda zona sombreada muestra la escala del mundo eléctrico. Podemos resumir y concluir qué, salvo excepciones, la sociedad se ha unificado en el joule comunidad de energía. No obstante, en física de la energía no es raro el uso del electronvolt, en potencia lo usual es el uso del watt, que se encarga de dejar atrás el caballo de vapor. Es posible medir o estimar la demanda y consumos de energía o potencias de distintos sistemas. Encontramos un amplio rango de energía y potencia de interés científico y tecnológico, y zonas de interés económico y social. Hasta la próxima sesión.
