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bibliográficas)
Durante la combustión completa de los combustibles, el carbono se convierte en CO2 y el hidrógeno se convierte en H2O, los cuales tienen grandes entalpías de formación negativas. En consecuencia, cuanto mayor es el porcentaje de carbono e hidrógeno en un combustible, mayor es su valor de combustible. En la Tabla 15‑1, por ejemplo, compare las composiciones y los valores de combustible del carbón bituminoso y la madera de pino. El carbón tiene un valor combustible más alto debido a su mayor contenido de carbono.
Tabla 15‑1. Valores de combustible y composiciones de algunos
combustibles comunes. Tomada de la Química La Ciencia Central (T. L. Brown et
al., 2017).
En 2011, Estados Unidos consumió 1.03 x 1017 kJ de energía
siendo suministrada por carbón 22.6%, gas natural 24.0%, petróleo 37.6%,
nuclear 8.5% y fuentes renovables 7.4%. Este valor corresponde a un consumo
medio diario de energía por persona de 9.3 x 105 kJ, aproximadamente
100 veces mayor que las necesidades de energía alimentaria per cápita.
Combustibles
fósiles
El carbón, el petróleo y el gas natural, que son las principales fuentes de
energía del mundo, se conocen como combustibles
fósiles. Todos se han formado durante millones de años a partir de
la descomposición de plantas y animales marinos y se están agotando mucho más
rápidamente de lo que se están formando.
Gas
natural
El gas natural se compone de hidrocarburos gaseosos, compuestos de
hidrógeno y carbono. Contiene principalmente metano CH4, con
pequeñas cantidades de etano C2H6, propano C3H8
y butano C4H10. El gas natural se quema con muchos menos
subproductos y produce menos CO2 que el petróleo o el carbón.
Petróleo
El petróleo es un líquido compuesto por cientos de compuestos, la mayoría
de los cuales son hidrocarburos, y el resto son principalmente compuestos
orgánicos que contienen azufre, nitrógeno u oxígeno.
Carbón
mineral
El carbón, que es sólido, contiene hidrocarburos de alto peso molecular,
así como compuestos que contienen azufre, oxígeno o nitrógeno. El carbón es el
combustible fósil más abundante; Se prevé que las reservas actuales duren más
de 100 años a las tasas de consumo actuales. Sin embargo, el uso de carbón
presenta varios problemas. El carbón es una mezcla compleja de sustancias y
contiene componentes que contaminan el aire. Cuando el carbón se quema, el
azufre que contiene se convierte principalmente en dióxido de azufre, SO2,
un contaminante molesto del aire. Debido a que el carbón es un sólido, la
recuperación de sus depósitos subterráneos es costosa y, a menudo, peligrosa
tanto por retos tecnológicos como de geopolítica. Además, los depósitos de
carbón no siempre están cerca de lugares de uso de alta energía, por lo que a
menudo hay costos de envío sustanciales.
Gas de
invernadero
Los combustibles fósiles liberan energía en las reacciones de combustión,
que idealmente producen solo CO2 y H2O. La producción de
CO2 se ha convertido en un tema importante que involucra a la
ciencia y las políticas públicas debido a la preocupación de que las crecientes
concentraciones de CO2 atmosférico estén causando cambios climáticos
globales.
Otras
fuentes de energía
Nuclear
La energía nuclear es la energía liberada en la fisión (división) o la
fusión (combinación) de núcleos atómicos. La energía nuclear basada en la
fisión nuclear se utiliza actualmente para producir aproximadamente el 21% de
la energía eléctrica en los Estados Unidos y representa aproximadamente el 8,5%
de la producción total de energía de los EE. UU. La energía nuclear está, en
principio, libre de las emisiones contaminantes que son un problema importante
con los combustibles fósiles. Sin embargo, las plantas de energía nuclear
producen desechos radiactivos, por lo que su uso ha sido controvertido.
Renovables
Los combustibles fósiles y la energía nuclear son fuentes de energía no
renovables; son recursos limitados que consumimos a un ritmo mucho mayor de lo
que pueden regenerarse. Con el tiempo, estos combustibles se gastarán, aunque
las estimaciones varían mucho en cuanto a cuándo ocurrirá esto. Debido a que
las fuentes de energía no renovables eventualmente se agotarán, y con agotar
nos referimos a que con el tiempo serán
demasiado costosas para obtener y comerciar, se está llevando a cabo
una gran cantidad de investigación sobre las fuentes de energía renovables,
fuentes que son esencialmente inagotables.
Las fuentes de energía renovable incluyen la energía solar del Sol, la
energía eólica aprovechada por los molinos de viento, la energía geotérmica del
calor almacenado dentro de la Tierra, la energía hidroeléctrica de los ríos que
fluyen y la energía de biomasa de los cultivos y los desechos biológicos.
Actualmente, las fuentes renovables proporcionan alrededor del 7.4% del consumo
anual de energía de los EE. UU., Siendo las fuentes hidroeléctricas y de
biomasa las principales contribuyentes.
Satisfacer nuestras necesidades energéticas futuras dependerá del
desarrollo de tecnología para aprovechar la energía solar con mayor eficiencia.
La energía solar es la fuente de energía más grande del mundo. En un día
despejado, aproximadamente 1 kJ de energía solar llega a cada metro cuadrado de
la superficie de la Tierra cada segundo. La energía solar promedio que cae en solo
el 0.1% de la superficie terrestre de los EE. UU. Es equivalente a toda la
energía que usa actualmente esta nación. Aprovechar esta energía es difícil
porque está diluida (es decir, distribuida en un área amplia) y varía con la
hora del día y las condiciones climáticas. El uso eficaz de la energía solar
dependerá del desarrollo de algún medio de almacenamiento y distribución. Es
casi seguro que cualquier medio práctico para hacer esto involucrará un proceso
químico endotérmico que luego se puede revertir para liberar calor. Una de esas
reacciones es: CH4(g) + H2O(g) + calor → CO(g) + 3 H2(g).
Esta reacción avanza hacia adelante a altas temperaturas, que se pueden obtener
en un horno solar. El CO y el H2 formados en la reacción podrían
almacenarse y dejarse reaccionar más tarde de manera inversa empleando una
chispa, con el calor liberado para un trabajo útil.
Las plantas utilizan la energía solar en la fotosíntesis, la reacción en la
que la energía de la luz solar se utiliza para convertir CO2 y H2O
en carbohidratos y O2: 6 CO2(g) + 6 H2O(l) + luz
→ C6H12O6(s) + 6 O2(g). La
fotosíntesis es una parte importante del ecosistema de la Tierra porque repone
el O2 atmosférico, produce una molécula rica en energía que puede
usarse como combustible y consume algo de CO2 atmosférico. Quizás la
forma más directa de utilizar la energía del Sol es convertirla directamente en
electricidad en dispositivos fotovoltaicos, o células solares. Las eficiencias
de estos dispositivos se han incrementado drásticamente durante los últimos
años. Los avances tecnológicos han llevado a paneles solares que duran más y
producen electricidad con mayor eficiencia a un costo unitario cada vez menor.
De hecho, el futuro de la energía solar es, como el propio Sol, muy brillante.
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