Física y Química 3º ESO: guía interactiva para la resolución de ejercicios

1. Física y Química 3º ESO: guía interactiva para la resolución de ejercicios ENERGÍA Y ELECTRICIDAD Producción y transporte de la electricidad I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

2. Índice • Centrales eléctricas y rendimiento. • Corriente alterna. • Transporte de la corriente y transformadores. • Ejercicio 1 • Ejercicio 2 • Ejercicio 3 • Ejercicio 4 • Ejercicio 5 • Ejercicio 6 • Ejercicio 7 • Ejercicio 8 • Ejercicio 9 • Ejercicio 10 • Ejercicio 11 • Ejercicio 12 • Ejercicio 13 • Ejercicio 14 • Ejercicio 15 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

3. Ayuda En una central eléctrica se produce energía eléctrica por transformación de otros tipos de energía. Según el tipo de energía que transforman las centrales eléctricas se clasifican en: • hidroeléctricas, si transforman la energía potencial de un salto de agua. • térmicas si utilizan la energía de combustibles fósiles como carbón, fuel o gas natural. • nucleares si transforman la energía obtenida en la fisión de núcleos pesados. • eólicas si transforma la energía cinética del viento. • etc. • El fundamento de la producción de electricidad en cualquier tipo de central eléctrica es el movimiento de unas bobinas en el interior de un potente electroimán; de ese modo en las bobinas se produce corriente eléctrica, y el conjunto de las bobinas y el electroimán constituye el generador. Para mover las bobinas se conectan a una turbina, que es una especie de molino con aspas o álabes, los cuales se mueven mediante una corriente de vapor de agua o de agua líquida, como las que se muestran en los siguientes dibujos. La energía eléctrica producida se transporta mediante la red de alta tensión. Turbinas I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

4. Energía eléctrica Producida, 30% Combustible más oxígeno Pérdidas por calor y sonido, 2% Pérdidas por rozamiento y gases calientes, 8% Pérdidas en la torre de refrigeración, 60% Ayuda Por rendimiento de una central se entiende el porcentaje de energía eléctrica que se obtiene respecto a la energía utilizada para la obtención de electricidad. Así, una central cuyo rendimiento sea del 30% significa que para obtener 30 J de energía eléctrica se precisa transformar 100 J de otro tipo de energía. El mayor porcentaje de pérdidas en una central térmica, alrededor de un 60%, se produce al enfriar el agua de refrigeración, antes de devolverla al río o al mar, para no dañar el ecosistema. El agua de refrigeración es la que se utiliza para enfriar el vapor de salida de las turbinas, y se enfría en las torres de refrigeración, en las cuales se hace caer el agua caliente en forma de lluvia y se enfría por contacto con el aire. El resto de pérdidas por calor, rozamiento y sonido son mucho menores, en total de alrededor del 10%, tal como se muestra en el siguiente diagrama. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

5. Voltaje + 310 V Tiempo de una vuelta - 310 V - Ayuda La figura adjunta muestra el esquema de un alternador. Consta de un potente electroimán en cuyo interior gira una bobina; los hilos de entrada y salida de la bobina van soldados a unos anillos, denominados delgas, que giran con la bobina por estar todos ellos unidos a la turbina. Unos contactos eléctricos, denominados escobillas, apoyan permanentemente en las delgas y permiten la salida de corriente hasta el circuito de utilización, que en el dibujo se ha representado por una bombilla. La corriente producida se caracteriza por circular en sentidos opuestos cada media vuelta de la bobina, por lo que se denomina corriente alterna. El voltaje que proporciona este generador depende de lo potente que sea imán, del número de espiras de la bobina y de la velocidad a la que gira, aunque su valor cambia continuamente de valor y de signo. En España la corriente alterna de uso doméstico es de 220 V y 50 Hz (hertzios); el valor 220 V es el denominado voltaje eficaz, aunque el voltaje máximo es de unos 310 V, como se muestra en la gráfica de al lado. Un voltaje eficaz de 220 V es aquel que produciría la misma potencia que un voltaje constante y continuo de 220 V. El valor 50 Hz, que se denomina frecuencia, significa que la bobina gira 50 vueltas en 1 segundo, o lo que es lo mismo tarda 1/50 = 0,02 s en dar una vuelta, tiempo que se denomina período. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

6. Ayuda El voltaje proporcionado por los alternadores de una central eléctrica es de unas decenas de miles de voltios, digamos 25000V. La energía eléctrica proporcionada por las centrales debe llegar a las casas y a las industrias, que suelen estar alejadas de las centrales, y durante el transporte de la energía se producen pérdidas por desprendimiento de calor al pasar la corriente por los cables de transporte. Como ya sabes, la potencia proporcionada por un generador se calcula como: P = V·I, lo que significa que la misma potencia se puede proporcionar con un voltaje elevado y una intensidad menor, que con un voltaje más bajo y una intensidad menor. Sin embargo, la potencia disipada o perdida en los cables de conducción se calcula por la expresión: Pperdida = I2·R, lo que significa que depende de la intensidad que circula y de la resistencia, ya que las cargas rozan con el conductor y desprenden energía. Como consecuencia de lo anterior, el transporte de energía se realiza a elevado voltaje y a intensidad menor, procurando al mismo tiempo que la resistencia de los cables sea pequeña. Como sabes de una lección anterior, para hacer menor una resistencia se puede hacer el cable más corto (lo que aquí no es posible puesto que las casas y las fábricas están donde están respecto a la central), más grueso (lo que si es posible hasta un cierto límite pues si es muy grueso es caro y pesado) y utilizar un buen conductor (que suele ser cobre). Para elevar el voltaje en el transporte y disminuir las pérdidas, y para volverlo a bajar en las casas y en las industrias por razones de seguridad, se utilizan los transformadores, que transfieren energía modificando el voltaje. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

7. Ayuda Un transformador es un dispositivo que transfiere energía entre dos circuitos modificando el voltaje. Consta de dos bobinas aisladas e independientes, arrolladas ambas a un núcleo de hierro. Por el denominado circuito primario circula la corriente cuyo voltaje se quiere cambiar, y en el circuito secundario circula la corriente con el nuevo voltaje. La relación de transformación de voltaje depende del número de espiras del primario y del secundario, cumpliéndose: V1/V2 = N1/N2. En un transformador ideal no hay pérdidas y se cumple que las potencias de entrada y de salida son iguales: V1·I1 = V2·I2. En un transformador real las pérdidas son pequeñas, pues el transformador es un dispositivo de elevado rendimiento. Se muestran a continuación el símbolo de un transformador con núcleo y una fotografía de un transformador de una subestación transformadora. El rendimiento de un transformador se calcula por la expresión siguiente: potencia de salida Rendimiento = ·100 potencia de entrada I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

8. Humos Turbina Vapor de agua Red eléctrica Vapor de agua a alta presión Alternador Torre de refrigeración Transformador Horno y caldera Circuito de refrigeración EJERCICIO 1En la figura se muestra el esquema de una central eléctrica térmica. Sitúa las palabras de la tabla en el lugar adecuado del esquema de la central. Vapor de agua Horno y caldera Turbina Alternador Vapor de agua a alta presión Torre de refrigeración Red eléctrica Humos Transformador Circuito de refrigeración I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

9. EJERCICIO 2Las centrales eléctricas térmicas y nucleares tienen un rendimiento de alrededor del 30%, mientras que el rendimiento de las centrales hidroeléctricas puede alcanzar el 85 %.(a) ¿A qué crees que puede ser debido esta diferencia de rendimiento?(b) ¿Por qué las centrales térmicas se construyen junto al mar o junto a un río?(c) ¿Conoces algún tipo de central que no necesite estar al lado de un río o del mar? En las centrales térmicas se calienta agua mediante la energía proporcionada por el combustible. En el propio proceso en la refrigeración del vapor de la turbina, y muy especialmente en la refrigeración del agua de refrigeración de dicho vapor, se producen grandes pérdidas de energía. En las centrales hidroeléctricas esas pérdidas no existen pues el agua se utiliza a temperatura ambiente, y las únicas pérdidas se producen por rozamiento y por energía acústica, que son mucho menores. Infórmate del funcionamiento de las centrales térmicas y de las centrales hidroeléctricas antes de responder al apartado (a).. La respuesta está implícita en la anterior. Si se necesitan grandes cantidades de agua de refrigeración, ésta debe estar a disposición de la central. Contesta al apartado (b) La respuesta no puede ser las centrales hidroeléctricas por su propio funcionamiento. La única central de uso práctico en la actualidad sería el parque eólico, cuyo rendimiento energético máximo está sobre el 45%. Contesta al apartado (c) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

10. EJERCICIO 3La figura muestra el funcionamiento de una central eléctrica térmica.(a) El vapor que entra en las turbinas se encuentra a presión y temperatura elevadas, pero hay que enfriarlo a la salida. ¿Por qué?(b) El agua de refrigeración se calienta y se hace pasar por las torres de refrigeración para enfriarlo. ¿Por qué debe hacerse eso? Contesta al apartado (a) Al enfriar el vapor disminuye la presión y condensa. La diferencia de presión a la entrada y a la salida es la causa del movimiento de la turbina. Contesta al apartado (b) El agua de refrigeración no puede echarse directamente al río o al mar, puesto que provocaría daños a los peces y a las especies vegetales de ríos y mares. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

11. EJERCICIO 4(a) ¿Cuál es la diferencia entre una corriente continua y una corriente alterna? Haz un gráfico voltaje-tiempo de cada tipo. El voltaje está medido en voltios y el tiempo en segundos. (b) La corriente continua la proporcionan las pilas y la corriente alterna los alternadores. ¿Podrías indicar alguna razón?(c) ¿De qué factores depende el voltaje que se genera en un alternador? Contesta al apartado (a) La corriente continua circula siempre en el mismo sentido debido a que el voltaje es constante. La corriente alterna cambia de sentido puesto que el voltaje varía de valor y de sentido continuamente. Esto se muestra en las figuras de al lado Contesta al apartado (b) Contesta al apartado (c) La corriente continua proporcionada por una pila o batería se debe a una reacción química que es la misma en el transcurso del tiempo. Por el contrario, la bobina del alternador cambia continuamente de orientación respecto al imán, lo que causa el cambio de valor y de sentido del voltaje. Los factores son tres: la mayor o menor intensidad del imán, el número de espiras de la bobina y la velocidad de giro de la misma. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

12. Dibuja el gráfico de ciclo completo para España. Dibuja el gráfico de ciclo completo para EEUU EJERCICIO 5En España el voltaje efectivo es de 220 V y la frecuencia de 50 Hz, mientras que en Estados Unidos el voltaje efectivo es de 110 V y la frecuencia de 60 Hz. Haz un gráfico de un ciclo completo de voltaje , indicando el voltaje máximo y el período, para cada una de estas corrientes. Recuerda que el voltaje máximo es, aproximadamente, 1,41 veces el voltaje efectivo. Calcula el voltaje máximo y el período para España. Calcula el voltaje máximo y el período para EEUU. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

13. Pperdida =I2·R , que se calcula para cada caso: que representa una pérdida de: que representa una pérdida de: lo que muestra claramente la necesidad de transportar la energía a voltajes elevados. EJERCICIO 6 Una central eléctrica genera una potencia de 5000 W.(a) Calcula la intensidad que circulará por los cables de transporte si el voltaje es de 250 V.(b) Calcula la intensidad que circulará por los cables de transporte si el voltaje es de 100000 V.(c) Si la resistencia de los cables es de 4, ¿cuánto valdrá la potencia disipada en cada caso? Despeja la intensidad de la expresión de la potencia. Contesta al apartado (b) Contesta al apartado (a) Escribe la expresión de pérdida de potencia y contesta al apartado (c) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

14. EJERCICIO 7(a) Un transformador sin pérdidas reduce la potencia de 220 V a 11 V. La intensidad que circula por el secundario es de 1 A. ¿Qué intensidad circula por el primario? (b) ¿Cuál debe ser el número de espiras del secundario si el número de espiras del primario es 200?(c) Consideras adecuado tener conectado el primario del transformador a la red, aunque no esté conectado el segundario? Escribe la relación entre la potencia de entrada y de salida, despeja la intensidad en el circuito primario y calcúlala con los datos del ejercicio. Escribe la expresión de la relación de transformación, despeja el número de espiras en el secundario y realiza el cálculo. No es adecuado puesto que por el circuito primario está circulando una intensidad que, aunque sea pequeña, representa un consumo de energía. Contesta al apartado (c) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

15.       EJERCICIO 8El dibujo muestra una red de distribución desde una central eléctrica a los centros de consumo. Hay distintos transformadores. (a) ¿Cuáles son elevadores y cuáles reductores?(b) Calcula la relación entre el número de espiras del primario y el número de espiras del secundario en el transformador número 3. Contesta al apartado (a) El único transformador elevador es el número 1, el que está a la salida de la central, y todos los demás son reductores. Contesta al apartado (b) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

16. EJERCICIO 9En tu casa utilizas varios aparatos eléctricos que llevan transformador. Infórmate de los que llevan transformadores elevadores y los que llevan transformadores reductores y haz una tabla. Televisores Lámparas halógenas Radios Monitores de ordenador Haz clic aquí para ver la respuesta Tubos luminiscentes Reproductores de música Encendido de quemadores de gas o fuel Juegos electrónicos Juguetes (trenes, por ejemplo) Impresoras Depiladoras eléctricas, etc. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

17. EJERCICIO 10Indica qué tipo de transformador, elevador o reductor, se necesita para realizar cada una de las siguientes transformaciones de voltaje, y calcula la relación de transformación en cada caso.(a) Un voltaje de 220 V en otro de 6 V para hacer funcionar un radio.(b) Un voltaje de 220 V en otro de 10000 V para el funcionamiento de un televisor.(c) Un voltaje de 25000 V en un voltaje de 500000 V para una red de alta tensión. Se precisa un transformador reductor. Contesta al apartado (a) Se precisa un transformador elevador. Contesta al apartado (b) Se precisa un transformador elevador. Contesta al apartado (c) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

18. EJERCICIO 11Completa la siguiente tabla sobre transformadores, haciendo los cálculos adecuados. Completa la tabla en tu cuaderno y haz clic aquí 6 V 11000 2750 6000 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

19. 12 V 220 V La intensidad que circula por el secundario se obtiene de la potencia de la lámpara y del voltaje de la misma: Si el transformador no tiene pérdidas, la potencia en el primario es la misma que en el secundario: EJERCICIO 12Una lámpara halógena de 12 V y 50 W funciona con un transformador conectado a 220 V. El primario del transformador tiene 5000 espiras.(a) Haz un esquema del circuito mediante símbolos eléctricos.(b) Calcula el número de espiras del secundario.(c) Calcula la intensidad que circula por el circuito primario y la que circula por el circuito secundario, suponiendo que el transformador no tiene pérdidas. Dibuja el esquema del apartado (a) Contesta al apartado (b) Mediante la expresión de la relación de transformación: Contesta al apartado (c) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

20. El voltaje en los extremos de la resistencia será el voltaje en el secundario, que se calcula por la relación de transformación: La intensidad se calcula por la ley de Ohm y la potencia por la expresión de la misma: 220 V 3  La potencia de entrada al transformador es la misma que la de salida, es decir 10,1 W, puesto que su rendimiento es del 100%, de donde se despeja la intensidad que circula por el primario: EJERCICIO 13Un transformador tiene un primario de 6000 espiras y un secundario con 150 espiras. El primario se conecta a 220 V y el secundario se conecta a una resistencia de 3 . Supón que el rendimiento del transformador es del 100%.(a) Haz un esquema del montaje empleando símbolos eléctricos.(b) Calcula el voltaje en los extremos de la resistencia , la intensidad que la atraviesa y la potencia que disipa.(c) Calcula la potencia de entrada al transformador y la intensidad que circula por el primario. Contesta al apartado (b) Dibuja el esquema del apartado (a) Contesta al apartado (c) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

21. El rendimiento del transformador se define como el porcentaje de potencia del primario que suministra el secundario: Análogamente al apartado anterior: EJERCICIO 14Calcula el rendimiento de los siguientes transformadores:(a) Potencia de entrada 5000 W y potencia de salida 4750 W.(b) Entrada: 220 V y 0,5 A; salida: 12 V y 9 A. Contesta al apartado (a) Contesta al apartado (b) Contesta al apartado (c) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

22. La potencia disipada es la diferencia entre la potencia suministrada al circuito primario y la proporcionada por el circuito secundario: EJERCICIO 15Un transformador de 250 MW (1 MW = 106 W) de una subestación transformadora tiene un rendimiento de 96%.(a) ¿Qué potencia se disipa en él?(b) Este tipo de transformadores llevan un circuito de refrigeración. ¿Podrías razonar cuál es el motivo? Contesta al apartado (a) Contesta al apartado (b) Llevan un circuito de refrigeración por razones de seguridad, ya que la potencia disipada es grande y podría calentar los circuitos y quemar componentes del transformador, destruyéndolo finalmente. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química