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La energía
1 Características de la energía
2 Tipos de energía
3 Fuentes de energía
4 Utilización de la energía
5 Ahorro energético
Índice
1 Con
ten
idos
1. Características de la energíaPara entender qué es la energía previamente debes conocer qué es el trabajo.
Se realiza trabajo sobre un cuerpo cuando se desplaza o se deforma debido a la acción de una fuerza.
De este modo realizamos trabajo sobre una caja al levantarla, o sobre la masa de una pizza al moldearla. La energía está relacionada con el concepto de trabajo.
La energía es la capacidad que poseen los cuerpos para poder realizar un trabajo. La capacidad que tiene un cuerpo de producir energía puede depender de facto-res como su composición, su posición o de si se encuentra o no en movimiento.
La energía es una magnitud física y, como tal, puede medirse y cuantificarse. La uni-dad de medida de la energía en el Sistema Internacional es el julio (J), aunque tam-bién puede expresarse en calorías (cal), kilocalorías (kcal) o kilovatios hora (kWh).
Equivalencia entre julios, calorías, kilocalorías y kilovatio hora
1 cal = 4,18 J
1 kcal = 1000 cal = 4180 J
1 kWh = 3600000 J
Tras varios siglos empleando la energía, la ciencia ha podido identificar y definir las características de la energía que se enumeran a continuación:
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>> La energía puede transferirse de unos cuerpos a otros. Por ejemplo, al empujar un columpio transferimos la energía desde nuestro organismo al sillín.
>> La energía puede transformarse. Por ejemplo, si frotas fuertemente la palma de la mano contra la mesa transformas energía cinética (la que se refiere al movimiento) en energía calórica, pues la mesa y la mano se calientan.
>> La energía se conserva, es decir, ni se crea ni se destruye, solo se transfiere entre cuerpos o se transforma de un tipo a otro.
Por ejemplo, si dejas caer una pelota desde cierta altura, el objeto al principio tiene una energía potencial (debido a la altura) que se transforma en energía cinética (debido a la velocidad que va adquiriendo a medida que cae).
>> La energía se degrada. Esto no quiere decir que se pierda, sino que pasa a estados en los que no nos resulta útil. Por ejemplo, si deslizas un coche de juguete por el suelo se acaba parando a los pocos segundos, puesto que el rozamiento entre las ruedas y el suelo hace que la energía cinética (movimiento) se transforme en calor, calentando el suelo y las ruedas. El calor que se produce debido al rozamiento acaba disipándose, y no se puede utilizar de nuevo.
>> La energía puede almacenarse para ser utilizada en cualquier momento. Por ejem-plo, la gasolina de los coches o cualquier batería.
>> La energía puede transportarse de un lugar a otro. Por ejemplo, la energía eléctrica se puede transportar a lugares lejanos gracias a los tendidos eléctricos.
Para subir un objeto por una pendiente hay que realizar un trabajo sobre él; es una forma de transferir energía al objeto.
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2. Tipos de energíaLa energía recibe distintos nombres según la
capacidad que tienen los cuerpos de usarla para realizar trabajo. Cabe destacar la energía mecá-nica, la energía química, la energía eléctrica, la energía electromagnética, la energía térmica y la energía nuclear.
2.1. Energía mecánicaLa energía mecánica (Em) es la suma de la ener-
gía cinética (Ec) y de la energía potencial (Ep). Por tanto: Em = Ec + Ep
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Ec = mv2
st
v =
>> La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo por el hecho de estar en movimiento. La unidad de medida de la energía cinética es el julio. Esta energía depende de la velocidad (v) y de la masa del cuerpo (m). Para calcularla se utiliza la siguiente expresión:
Cómo calculamos la velocidad de un cuerpo
Lavelocidad queadquiereuncuerposecalculadividiendoladistanciasquerecorreentreel tiempo tquetardaenrecorrerla:
LaunidaddevelocidadenelSistemaInternacionaleselm/s.
Porejemplo,uncuerpoquerecorreunadistanciade20men2stendráunavelocidadde10m/s.
>> La energía potencial es aquella que tiene un cuerpo debido a su posición. Los cuer-pos en la Tierra tienen energía potencial cuando se encuentran a cierta altura. La unidad de medida de la energía potencial es el julio. Depende de la masa del cuerpo, de la altura (h) y de la gravedad de la Tierra (la aceleración gravitatoria de la Tierra es g = 9,8 m/s2). Su expresión matemática es:
La energía mecánica de un cuerpo en movimiento se conserva constante si no se pierde energía por el rozamiento. De este modo, si soltamos una pelota desde cierta altura, al caer va perdiendo altura, pero va adquiriendo velocidad, es decir, va convirtiendo su Ep en Ec. Justo en el momento de tocar el suelo, ha convertido toda su Ep en Ec.
2.2. Energía químicaLa energía química es la que poseen los compuestos químicos debido a sus propie-
dades. Puesto que esta energía está almacenada, se pondrá de manifiesto cuando se produzca algún tipo de alteración sobre el cuerpo, dando lugar a una reacción química.
Ep = mgh
A pesar de que el proyectil tiene una masa muy pequeña, la velocidad al salir del cañón es muy alta, por eso tiene una gran energía cinética y es muy peligroso.
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Este tipo de energía es la que contienen los explosivos, las baterías, los alimentos, las pilas, los combustibles y la materia orgánica. Los seres vivos tenemos grandes reservas de energía en los compuestos orgánicos, sobre todo en los glúcidos y lípidos. En cada acción que realizamos y en nuestros procesos vitales se consume parte de esta energía.
2.3. Energía eléctricaLa energía eléctrica se debe al movimiento de cargas eléctricas dentro de un con-
ductor. Este movimiento de las cargas eléctricas se conoce como corriente eléctrica y es el responsable del funcionamiento de electrodomésticos o de cualquier aparato eléctrico. La energía eléctrica no puede obtenerse directamente, sino que se consigue mediante la transformación de otro tipo de energía. Por ejemplo, el mando a distancia de una televisión funciona mediante energía eléctrica y esta se consigue transforman-do la energía química que la pila contiene en su interior.
2.4. Energía electromagnética o radiante La energía electromagnética es la energía que transportan las ondas electromagnéti-
cas, como la luz, las ondas de radio, las microondas o los rayos X. Este tipo de energía puede transmitirse en el vacío, como es el caso de la luz proveniente del Sol. Gracias a la energía solar es posible la vida en la Tierra, pues las plantas pueden realizar la fotosíntesis y además se mantiene una temperatura adecuada en el planeta.
2.5. Energía térmicaLa energía térmica es la energía que poseen los cuerpos por el hecho de que las
moléculas y átomos que los componen están en continuo movimiento. Un cuerpo tendrá más energía térmica cuanta más agitación sufran sus moléculas y átomos. Esta energía puede transferirse de un cuerpo a otro si estos están a distinta temperatura. Dedicaremos un apartado a la energía térmica en la siguiente unidad.
2.6. Energía nuclearLa energía nuclear es la que puede extraerse de los núcleos de algunos átomos (llama-
dos radioisótopos) mediante las denominadas reacciones nucleares. Existen dos tipos de reacciones nucleares: fisión nuclear (rotura de un núcleo) y fusión nuclear (unión de dos núcleos). El ser humano ha conseguido controlar la fisión nuclear pero no la fusión.
3. Fuentes de energíaLa energía, como hemos visto, se transfiere de unos cuerpos a otros y nunca desa-
parece. Gracias a ello, la energía puede ser almacenada en distintos cuerpos para ser transferida a otros cuando sea necesario.
Una fuente de energía es todo sistema natural o artificial capaz de suministrar energía en determinadas condiciones. El recurso energético es la cantidad de energía disponible en una fuente de energía.
Las fuentes de energía pueden clasificarse según su disponibilidad en no renovables y renovables.
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3.1. Fuentes de energía no renovablesLas fuentes de energía no renovables son aquellas que existen en la Tierra en una
cantidad limitada. Esto quiere decir que el consumo humano es más rápido que su generación natural, por lo que se agotarán algún día. Ejemplos de fuentes de energía no renovables son el carbón, el petróleo, el gas natural y el uranio.
Carbón
El carbón es una roca sedimentaria de color negro muy rica en carbono. Usada como combustible fósil, se formó mediante las sucesivas transformaciones sufridas por restos vegetales fósiles que quedaron enterrados en lugares pantanosos, lagunas y deltas fluviales. Estos restos corresponden principalmente al periodo carbonífero, hace unos 300 millones de años.
El carbón se usa como combustible doméstico y comercial. También se usa como combustible en centrales térmicas para la generación de electricidad. Entre otros usos no energéticos podemos encontrar: utilización en la siderurgia y materia prima para la fabricación de diversos productos (fibras, materiales de construcción, productos farmacéuticos, etc.).
Tipos de carbón
Petróleo
El petróleo es un aceite mineral de color muy oscuro, menos denso que el agua y carac-terizado por su intenso olor. Se trata, al igual que el carbón, de un combustible fósil, for-mado a partir de plancton marino (microor-ganismos). Se obtiene en forma de crudo y su composición es muy variada. El crudo no se usa directamente, ya que se debe fraccionar en las refinerías para separar las distintas partes (gases, líquidos y sólidos), que tendrán usos muy diversos. El petróleo contiene un poder calorífico mayor que el carbón, por tanto es capaz de proporcionar mayor energía.
El petróleo se usa como combustible domés-tico e industrial, además de ser un buen carbu-rante para medios de transporte y maquinaria
Antracita.
Hulla.
Lignito.
Turba.
Elcarbónpuedeclasificarseen cua-tro tipos atendiendoalosvegetalesdelosqueprocedeydesuprocesodecarbonización:antracita,hulla,lig-nitoyturba.Cadaunodeestostiposdecarbóntieneunporcentajedistin-todecarbonoenordendescendentey,dependiendodeeste,asíserásuvalorenergético.
En las refinerías se fracciona el petróleo para que se use en múltiples aplicaciones.
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(gasolina y gasoil). Entre otros usos no energéticos podemos citar su función de lubri-cante y de materia prima en la industria petroquímica.
Gas natural
Se entiende por gas natural una mezcla de gases en la que el principal componente es el metano (CH4). El resto de componentes son etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón. Se originó de una forma muy similar al petróleo y, de hecho, se obtiene de los mismos pozos petrolíferos. El desa-rrollo de su comercialización se ha retrasado con respecto al petróleo, puesto que su almacenamiento y transporte ocasionaban grandes problemas. Hoy los problemas se han solventado y puede usarse tal como se obtiene.
El gas natural se usa como combustible doméstico e industrial. Su uso en centrales eléctricas se está extendiendo, como sustituto del carbón, puesto que su combustión es más limpia. Entre otros usos no energéticos el gas natural es materia prima en la industria petroquímica.
Uranio
El uranio es un elemento pesado cuyo núcleo es inestable y puede romperse (fisión nuclear) o unirse a los núcleos de otros átomos (fusión nuclear), liberando grandes cantidades de energía. El uranio no se usa tal como se extrae de la naturaleza; se en-cuentra en minerales (uranitita) que deben ser tratados para conseguir el denominado uranio enriquecido, empleado como combustible en las reacciones de fisión de las centrales nucleares para obtener energía nuclear. Entre otros usos no energéticos po-demos encontrar las técnicas de datación terrestre y la industria aeroespacial. A pesar de las virtudes del uranio, su manejo conlleva grandes riesgos relacionados con la ge-neración de residuos tóxicos radiactivos o posibles accidentes en centrales nucleares.
3.2. Fuentes de energía renovablesLas fuentes de energía renovables son aquellas inagotables en la escala de tiempo
humana, puesto que su procedencia es, en última instancia, el Sol. Ejemplos de fuen-tes de energía renovables son la energía solar, la energía eólica, la energía hidráulica, la energía geotérmica, la energía mareomotriz y la biomasa.
Energía solar
La energía solar es la que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética procedente del Sol. En Andalucía se trata de una fuente de energía muy importante ya que durante el año hay un gran número de horas de sol. La energía solar puede apro-vecharse mediante dos vías diferentes: térmica y fotovoltaica. Mediante la vía térmica la luz solar se transforma en energía calorífica y calienta agua que puede ser utilizada como calefacción doméstica o para evaporar agua en centrales eléctricas con el fin de que se muevan las turbinas. Por otra parte, la vía fotovoltaica consiste en la transforma-ción directa de la luz solar en energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos.
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Energía eólica
La energía eólica es la energía cinética producida por el viento. Fue una de las pri-meras fuentes de energía utilizadas por el ser humano (en los barcos de vela y en los molinos para moler el grano). Hoy en día se usa para producir energía eléctrica gracias al giro de los aerogeneradores. En Andalucía la energía eólica tiene un gran potencial debido a que disponemos de zonas con viento durante muchas horas al año.
Energía hidráulica
La energía hidráulica es la que se obtiene de los saltos de agua de las presas de los ríos y pantanos. El aprovechamiento se realiza transformando la energía cinética del agua en energía eléctrica al hacer girar las turbinas de los generadores. Esta fuente de energía es escasa en Andalucía, debido a su clima seco.
Energía geotérmica
La energía geotérmica es la que proviene de la energía calorífica interna de la Tie-rra y de la energía liberada durante la formación del planeta. La primera se produce gracias a las desintegraciones de las sustancias radiactivas presentes en la corteza y el manto, y la segunda, por el calor residual que mantiene el núcleo externo fundido y que todavía llega a la superficie. En Andalucía no es una fuente muy importante dada la escasez de lugares donde se puede acceder a ella.
Energía mareomotriz
La energía mareomotriz se debe al movimiento del agua del mar. Esta energía solo es aprovechable en aquellos lugares donde el desnivel entre la pleamar (marea alta) y la bajamar (marea baja) es grande, cumpliendo además ciertas condiciones topo-gráficas. Este desnivel se utiliza para mover unas turbinas conectadas a un generador capaz de convertir la energía cinética de las olas en energía eléctrica.
Biomasa
La biomasa es la energía que podemos extraer de los compuestos orgánicos proce-dentes de seres vivos, bien quemándolos para producir calor, bien transformándolos en combustible para un uso posterior (biodiesel y etanol). La energía de biomasa puede conseguirse de dos formas distintas:
En Andalucía podemos encontrar un gran número de placas solares fotovoltaicas debido a las horas de Sol que tenemos en nuestra comunidad a lo largo del año.
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>> Mediante cultivos vegetales específicos, especialmente remolacha y cereales. Reci-be el nombre de biomasa cosechable.
>> Mediante la debida transformación de residuos forestales (leña, ramas, hojas, etc.), agrícolas (hierbas, raíces, paja, etc.), ganaderos (excrementos y restos de animales) y domésticos (papel, restos de alimentos, etc.). Recibe el nombre de biomasa residual.
Fuente Ventajas Inconvenientes
Energía solar
• Fuente inagotable.• Energía limpia.• Mantenimiento barato.• Evita el uso de combustibles fósiles.
• Depende de los factores meteorológicos y topográficos.
• No puede almacenarse, se debe transformar.
• Necesita mucha superficie.
Energía eólica
• Fuente inagotable.• Energía limpia.• Mantenimiento barato.• Alto rendimiento.• Evita el uso de combustibles fósiles.
• Depende de los factores meteorológicos y topográficos.
• No puede almacenarse, se debe transformar.
• Necesita mucha superficie.• Peligrosa para las aves.
Energía hidráulica
• Energía limpia.• Mantenimiento barato.• Evita el uso de combustibles fósiles.
• El transporte de energía eléctrica es caro.
• Depende de los factores meteorológicos y topográficos.
• Alteraciones en el entorno.• Riesgo de rotura de la presa.
Energía geotérmica
• Fuente inagotable.• Energía limpia.• Evita el uso de combustibles fósiles.
• Localización de difícil acceso y costosa.• Mantenimiento muy caro.
Energía mareomotriz
• Fuente inagotable.• Energía limpia.• Evita el uso de combustibles fósiles.
• Alteraciones en los ecosistemas.• Bajo rendimiento.• Muy costosa.• Muy condicionada a zonas concretas.
Biomasa
• Energía limpia.• Combustibles poco contaminantes.• Bajo coste.• Evita el uso de combustibles fósiles.
• Bajo rendimiento.• Dificultad en el tratamiento y
transporte.
4. Utilización de la energíaEn este apartado vamos a estudiar una clasificación de la energía según su forma
de uso, de modo que conoceremos para qué usamos la energía y cuáles son las conse-cuencias de su utilización.
4.1. Energías primarias y secundariasSegún la forma de utilizar la energía, podemos clasificarla en energías primarias o
secundarias.
Las energías primarias son aquellas energías disponibles en la naturaleza que se usan directamente para realizar un trabajo. Las energías secundarias son aquellas que se ob-tienen a partir de las energías primarias mediante algún tipo de transformación técnica, es decir, no se obtienen directamente de la naturaleza.
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Todas las fuentes de energía vistas en el apartado anterior, a excepción de la biomasa cuando ha sido tratada, son fuentes de energía primaria, puesto que pueden ser trans-formadas para ser usadas, por ejemplo, en forma de energía eléctrica.
4.2. La energía en nuestra vida cotidianaEn nuestro entorno utilizamos energía continuamente y de diferentes modos: en
nuestro propio cuerpo (energía química), en nuestros hogares (energía eléctrica), en los medios de transporte (combustibles) y con los dispositivos electrónicos portátiles (pilas y baterías).
La energía eléctrica
La energía eléctrica es un tipo de energía secundaria que no puede obtenerse direc-tamente de la naturaleza. Por tanto, es necesario construir mecanismos que transfor-men cualquier tipo de energía en energía eléctrica.
El mecanismo básico es el generador, que funciona convirtiendo la energía cinéti-ca de la rotación de las palas de una turbina en energía eléctrica. Algunas formas de energía ofrecen energía cinética directamente (hidráulica y eólica), pero otras tienen energías internas y deben sufrir una transformación (combustibles fósiles y energía nuclear), que consiste en usar esta energía para calentar agua, evaporarla y, mediante la presión que produce el vapor de agua, conseguir la energía cinética necesaria.
Los lugares en los que se transforma algún tipo de energía en energía eléctrica re-ciben el nombre genérico de centrales eléctricas. En el caso de las centrales que usan carbón, petróleo o uranio se trata de centrales termoeléctricas.
Esquema general de las centrales eléctricas
Elobjetivodelascentrales eléctricasesconseguirenergíacinética(directamenteomedian-tealgunatransformaciónprevia)paraponerenfuncionamientounaturbinaconectadaaungeneradorqueobtiene,comoproducto,ladeseadaenergíaeléctrica.Estaenergíaluegosetransportahastaloshogares,elsectorservicios,elalumbradopúblico,laindustria,etcétera.
Energía hidráulicaEnergía eólicaEnergía mareomotriz
Uso directo
Transformación térmica para
acelerar gases
Energíacinética
Turbina Generador Energíaeléctrica
Transporte(tendido eléctrico)
Hogares Industria
Energía internaEnergía nuclearEnergía solar
FUENTE CENTRAL ELÉCTRICA PRODUCTO
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AtmósferaSol
Gases de efecto invernadero
Radiación solar re�ejada al espacio
Radiación solar re�ejada hacia la super�cie
Radiación infrarroja emitida a la atmósfera
Radiación infrarroja devuelta hacia la super�cie
Radiación solar absorbida
Pilas y baterías
Una pila o una batería es un dispositivo capaz de almacenar energía química que pue-de transformarse en energía eléctrica cuando se desee. Reciben el nombre genérico de acumulador eléctrico, aunque en realidad no acumulan energía eléctrica, sino que son capaces de desarrollar reacciones químicas que tienen como resultado la generación de energía eléctrica. A pesar de los inconvenientes medioambientales que conlleva el uso de las pilas y baterías, actualmente son muy usadas en nuestra vida cotidiana: teléfonos, ordenadores, mandos a distancia, relojes, dispositivos de audio, etcétera.
4.3. Consecuencias del uso de la energíaEl uso de la energía para llevar a cabo todas las tareas que hemos estudiado produce
contaminación (sobre todo a causa del dióxido de carbono) y todo tipo de residuos. El uso responsable de la energía y una buena gestión de los residuos son claves para conseguir un futuro sostenible. De los aspectos negativos que genera la energía des-tacamos tres: el calentamiento global, la lluvia ácida y los residuos radiactivos.
El problema del calentamiento global
La emisión excesiva de CO2 a la atmósfera como producto residual de la com-bustión de los combustibles fósiles constituye un gran problema. El CO2 es un gas invernadero, lo que significa que contribuye a aumentar la temperatura de la Tierra (recordemos que en los últimos años se está registrando un aumento de la tempera-tura media del planeta; algunas de estas evidencias son la descongelación de grandes glaciares en los polos y el aumento en la frecuencia de los fenómenos atmosféricos extremos). A este incremento de la temperatura media de la Tierra y al conjunto de fenómenos que lo acompaña se le conoce como calentamiento global.
El efecto invernadero
La lluvia ácida
Algunas centrales termoeléctricas emiten a la atmósfera óxidos de azufre y de nitró-geno en proporciones suficientes para provocar problemas ambientales. Estos óxidos pueden combinarse con el agua de las nubes y, al precipitar, forman la denominada lluvia ácida. Este tipo de lluvia puede terminar con la vida en los bosques, en los lagos e, incluso, puede desertizar grandes superficies.
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Los residuos radiactivos
El uso de isótopos como el uranio en las centrales nucleares produce como subpro-ducto materiales radiactivos. No todos los elementos radiactivos son peligrosos para la vida, aunque los que se generan en las centrales nucleares sí son nocivos. Para evitar un efecto perjudicial se deben tratar adecuadamente.
5. Ahorro energéticoLos combustibles fósiles no solo plantean un problema de contaminación; se sabe
que estos recursos naturales son limitados y tarde o temprano los agotaremos. La clave para frenar de alguna manera el problema de la contaminación y reducir el consumo de los recursos naturales está en el ahorro energético. Este ahorro supone producir menos energía y, por tanto, menos residuos y menos contaminación. Ahorrar energía es tarea de todos: de los gobiernos (mediante políticas restrictivas y establecimien-to de leyes y acuerdos internacionales como el Protocolo de Kioto), de las empresas (adaptando su gestión a políticas sostenibles), de las fábricas (mediante la investigación científica y el acatamiento de las leyes energéticas) y de los ciudadanos (mediante el consumo responsable).
Veamos a continuación algunas pautas a seguir para ahorrar energía dependiendo de la actividad que desarrollemos.
5.1. Ahorro en los hogares y en los centros educativos>> Enciende la luz solo cuando sea estrictamente necesario. La luz natural es gratis e ilumina mejor.
>> Utiliza únicamente bombillas de bajo consumo.
>> Usa electrodomésticos de clase A, puesto que son los de mayor eficacia energética.
Muy alto nivel de eficiencia; un consumo de energía inferior al 55 % de la media
Entre el 55 % y el 75 %
Los máseficientescon bajo consumo de energía
Los quepresentanun consumo energético medio
Altoconsumo de energía
Entre el 75 % y el 90 %
Entre el 90 % y el 100 %
Entre el 100 % y el 110 %
Entre el 110 % y el 125 %
Superior al 125 %
ABCDEFG
>> Apaga el ordenador cuando no lo uses, así como el resto de aparatos eléctricos.
>> No dejes los electrodomésticos, como el televisor, en la función standby,puesto que sigue consumiendo energía.
>> Adecua las puertas y ventanas a la época del año, abriéndolas o cerrándolas para poder gestionar la temperatura de la estancia de modo natural, sin abusar de los calentadores y aires acondicionados.
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>> Conecta el lavavajillas y la lavadora cuando estén cargados por completo.
>> Usa la secadora solo cuando las condiciones meteorológicas no sean las adecuadas para secar la ropa al sol.
>> Recicla tu basura: papel (azul), vidrio (verde), materia orgánica (gris) y envases (amarillo) van en contenedores diferentes codificados por colores. Las pilas, baterías y dispositivos electrónicos también deben separarse.
5.2. Ahorro en los medios de transporte>> No utilices ningún medio de transporte si no es necesario. Caminar es bueno para la salud.
>> Utiliza la bicicleta para recorrer distancias medias. Es más rápido en las grandes ciudades.
>> Utiliza los medios de transporte públicos en vez de medios privados.
