Proceso de transformacin de la energa qumica en elctrica en los
acumuladores de energa de la batera de automviles
IntroduccinLa energa es una magnitud fsica que asociamos con la
capacidad que tienen los cuerpos para producir trabajo mecnico,
emitir luz, generar calor, etc. En fsica la energa es uno de los
conceptos bsicos debido a su propiedad fundamental: La energa total
de un sistema aislado se mantiene constante. Por tanto en el
universo no puede existir creacin o desaparicin de energa, sino
transferencia de un sistema a otro o transformacin de energa de una
forma a otra. La energa, por lo tanto, puede manifestarse de
distintas formas: potencial, cintica, qumica, elctrica, magntica,
nuclear, radiante, etc., existiendo la posibilidad de que se
transformen entre s pero respetando siempre el principio de la
conservacin de la energa. En las bateras de acumuladores elctricos,
tal como se ha dicho, adems de utilizarse en los automviles,
proporcionan energa elctrica a muchos otros equipos, por lo que
varan en nmero de celdas, capacidad, tamao y peso. Son objetos
pesados y su manipulacin manual es causa de lesiones musculares. A
veces constituyen una unidad individual en una bandeja de acero que
puede ir desde el tamao de una maleta hasta alcanzar un gran tamao
y pesar ms de 5000 kg. Por ello se debe disponer del equipo de
manutencin adecuado para facilitar su manipulacin y transporte. Se
debe conocer el peso de la batera, que suele estar estampado en la
bandeja de soporte. La presente investigacin describe los aspectos
relacionados con la transformacin de la energa qumica en energa
elctrica en los acumuladores de automviles, de lo cual se explicar
su proceso de transformacin. CAPTULO I
El problema1.1 Planteamiento del Problema La materia posee
energa como resultado de su movimiento o de su posicin en relacin
con las fuerzas que actan sobre ella. La radiacin electromagntica
posee energa que depende de su frecuencia y, por tanto, de su
longitud de onda. Esta energa se comunica a la materia cuando
absorbe radiacin y se recibe de la materia cuando emite radiacin.
La energa asociada al movimiento se conoce como energa cintica,
mientras que la relacionada con la posicin es la energa
potencial.
Por ejemplo, un pndulo que oscila tiene una energa potencial
mxima en los extremos de su recorrido; en todas las posiciones
intermedias tiene energa cintica y potencial en proporciones
diversas. La energa se manifiesta en varias formas, entre ellas la
energa mecnica, trmica, qumica, elctrica, radiante o atmica. Todas
las formas de energa pueden convertirse en otras formas mediante
los procesos adecuados. En el proceso de transformacin puede
perderse o ganarse una forma de energa, pero la suma total
permanece constante. Un objeto puede almacenar energa en virtud de
su posicin. La energa que se almacena en espera de ser utilizada se
llama energa potencial (EP), porque en ese estado tiene el
potencial para realizar trabajo. Por ejemplo, un resorte estirado o
comprimido tiene el potencial para hacer trabajo. Cuando se tiende
un arco, el arco almacena energa. Una banda elstica estirada tiene
energa potencial debido a su posicin ya que, si forma parte de una
honda, es capaz de hacer trabajo. La energa qumica de los
combustibles es energa potencial ya que es, de hecho, energa de
posicin a la escala microscpica. Esta energa se hace disponible
cuando se alteran las posiciones de las cargas elctricas que estn
dentro y alrededor de las molculas, es decir, cuando ocurre un
cambio qumico. Toda sustancia capaz de realizar trabajo por accin
qumica posee energa potencial. Hay energa potencial en los
combustibles fsiles, en las bateras elctricas y en los alimentos
que se ingieren. Es la producida por reacciones qumicas que
desprenden calor o que por su violencia pueden desarrollar algn
trabajo o movimiento. Los alimentos son un ejemplo de energa qumica
ya que al ser procesados por el organismo nos ofrecen calor
(caloras) o son fuentes de energa natural ( protenas y vitaminas).
Los combustibles al ser quemados producen reacciones qumicas
violentas que producen trabajo o movimiento. La energa se puede
presentar en formas diferentes, es decir, puede estar asociada a
cambios materiales de diferente naturaleza. As, se habla de energa
qumica (cuando la transformacin afecta a la composicin de las
sustancias). El fundamento de las pilas y acumuladores es la
transformacin de la energaqumica en elctrica, mediante reacciones
de oxidacin-reduccin producidas en los electrodos, que generan una
corriente de electrones. Cuando se unen mediante un hilo metlico
dos cuerpos entre los cuales existe una diferencia de potencial, se
produce un paso de corriente que provoca la disminucin gradual de
dicha diferencia. Al final, cuando el potencial se iguala, el paso
de corriente elctrica cesa. Para que la corriente siga circulando
debe mantenerse constante la diferencia de potencial. En el
desarrollo de las actividades relacionadas con el uso de la energa
elctrica, el hombre se ha visto en la necesidad de crear fuentes de
energa que permitan realizar diferentes trabajos, por ejemplo,
debido a las deficiencias de electricidad, ha habido la necesidad
de utilizar fuentes de energa alternativas, es por ello que en el
uso de los computadores para los ingenieros en informtica, es de
vital importancia y stos equipos deben poseer fuentes de energa que
los hagan trabajar, pero al fallas la energa elctrica, es necesario
buscar fuentes de energa alternativas, es all donde se utilizan las
bateras de gran carga donde se
transforma la energa qumica en elctrica, lo cual es de mucha
utilidad en el rea planteada, para evitar prdidas de informacin
importante. Es por ello que se pretende estudiar como se realiza el
proceso de transformacin de la energa qumica en elctrica en los
acumuladores de energa de la batera de automviles, vinculando su
utilidad al desarrollo de sistemas de computacin integrados de
forma eficiente y confiable. 1.2 Objetivo General Describir el
proceso de transformacin de la energa qumica en elctrica en los
acumuladores de energa de la batera de automviles. 1.3 Objetivos
Especficosy y y
Definir los elementos que intervienen en el proceso de
transformacin de energa qumica y elctrica. Explicar los componentes
que posee una batera de automvil vinculados al proceso de
transformacin de energa qumica en energa elctrica. Detallar el
proceso de transformacin de energa qumica a energa elctrica en una
batera de automvil.
1.4 Justificacin e Importancia Este proyecto se justicia en el
sentido que brinda un aporte relacionado con la ingeniera de
sistemas, en cuanto al desarrollo y conocimiento de las diversas
alternativas de energa para la utilizacin y funcionamiento de
procesadores de forma eficiente (cuando la luz elctrica no sea la
adecuada o simplemente falle) a travs del estudio de los
componentes de las bateras de automviles, con miras a la utilizacin
de stas para el desarrollo de sistemas operativos que permitan
salvaguardar informacin de importancia de diversas empresas,
instituciones, etc., ya que uno de los objetivos ms interesantes de
la Ctedra Fsica II, se relacionan con la energa potencial, la cual
amplia su campo de accin en el desarrollo de las actividades
cientficas. La energa potencial es la capacidad que tienen los
cuerpos para realizar un trabajo, dependiendo de la configuracin
que tengan en un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre s.
Puede pensarse como la energa almacenada en un sistema, o como una
medida del trabajo que un sistema puede entregar. Ms rigurosamente,
la energa potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de
fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones). De
ella se desprenden otros tipos de energa, como la qumica y la
elctrica las cuales se vinculan al trabajo que se pretende
realizar, relacionado con el proceso de transformacin de la energa
qumica en elctrica en los acumuladores de energa de la batera de
automviles.
La Ingeniera de sistemas es un modo de enfoque
interdisciplinario que permite estudiar y comprender la realidad,
con el propsito de implementar u optimizar sistemas complejos.
Puede verse como la aplicacin tecnologa de la teora de sistemas a
los esfuerzos de la ingeniera, adoptando en todo este trabajo el
paradigma sistmico. La ingeniera de sistemas integra otras
disciplinas y grupos de especialidad en un esfuerzo de equipo,
formando un proceso de desarrollo estructurado. CAPTULO II
Marco terico2.1 Antecedentes de la Investigacin Los sistemas de
acumulacin de energa, si bien constituyen una imagen moderna y
propia de nuestros tiempos, constituyeron elementos estratgicos a
lo largo de la historia de la humanidad. A modo de ejemplo veamos
algunos hechos importantes en el desarrollo de las bateras: 1796
Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, un profesor de la
Universidad de Pavia, Italia; construye la primer celda, la "pila
voltaica". Lleva ese nombre por haber "apilado" discos de plata y
cinc separados entre si por un separador embebido en electrolito.
1813 Sir Humphry Davy, utiliza una batera gigantesca.(20.000
pares!), donada por Napoleon, en el stano de la Sociedad Real
Britnica y la utiliza para experimentos de electrlisis. 1859
Raymond Gastn Plant, inventa el acumulador de plomo (batera plomo-
cido), pero no fue de gran utilidad..no se haba inventado "la
electricidad"..no haba nada que acumular!. 1866 George Leclanch,
inventa en Francia la "pila seca" (Zinc-Dixido de Manganeso);
sistema que an domina el mercado mundial de las bateras primarias.
1871 Se inventa la dnamo, comienza la produccin industrial de
bateras. 1887 El gobierno francs utiliza bateras para movilizar un
bote submarino, (primeros vehculos elctricos) 1893 Funciona un
trolebs en la 5ta. Avenida, New York. 1900 Tomas Alva Edison, el
gran inventor, patenta la batera nquel-hierro, entre otros usos, la
emplea para propulsar su vehculo elctrico!. Jugner, un inventor
sueco, patenta la batera de nquel-cadmio.
1947 Se desarrolla de celda de mercurio, donde en la descarga se
emplea un ctodo de HgO, que si bien le proporciona buenas
caractersticas a la batera, tiene alto costo y finalmente por
consideraciones ambientales fue dejada de lado. 1960 Investigadores
alemanes desarrollan las batera plomo-cido con el electrolito
inmovilizado (en forma de gel). 1967 La Gates Corporation
desarrolla la batera de plomo-cido "libre mantenimiento" o
"sellada". El diseo permite que los gases liberados en la
sobrecarga se recombinen en el interior de la batera. Cuenta tambin
con una vlvula de seguridad para los casos de una excesiva
sobrecarga. 1970 A finales de esta dcada Sony introduce la primer
batera empleando nodos de Li. En 1990 esta empresa comercializa
mundialmente la primer batera de Litio/in. Dada la alta densidad de
energa que presenta este sistema, produce el doble de voltaje que
una batera alcalina. 2.2 Bases Tericas La Energa Qumica La energa
qumica es una manifestacin ms de la energa. En concreto, es uno de
los aspectos de la energa interna de un cuerpo y, aunque se
encuentra siempre en la materia, slo se nos muestra cuando se
produce una alteracin ntima de sta. En la actualidad, la energa
qumica es la que mueve los automviles, los buques y los aviones y,
en general, millones de mquinas. Tanto la combustin del carbn, de
la lea o del petrleo en las mquinas de vapor como la de los
derivados del petrleo en el estrecho y reducido espacio de los
cilindros de un motor de explosin, constituyen reacciones
qumicas.
El carbn y la gasolina gasificada se combinan con el oxgeno del
aire, reaccionan con l y se transforman suave y lentamente, en el
caso del carbn, o instantnea y rpidamente, en el caso de la
gasolina dentro de los cilindros de los motores. Las mezclas
gaseosas inflamadas se dilatan considerable y rpidamente y en un
instante comunican a los pistones del motor su energa de traslacin,
su fuerza viva o de movimiento. Si se rodea en el carbn o la lea,
la gasolina y el petrleo de una atmsfera de gas inerte, por ejemplo
nitrgeno gaseoso, ni los primeros arderan ni los ltimos explotaran
en los cilindros. El nitrgeno no reacciona con aquellos cuerpos y
las mezclas de gasolina y nitrgeno ni arden ni explotan.
Finalmente, hay que mencionar la ms reciente y espectacular
aplicacin de la energa qumica para lograr lo que durante muchos
siglos constituy su sueo: el viaje de ida y vuelta al espacio
exterior y a la Luna, as como la colocacin de distintos tipos de
satlites artificiales en determinadas rbitas.
La energa es una propiedad inherente a la materia. La materia
posee energa almacenada que se debe, por una parte, a la posicin o
a la altura de un cuerpo (energa cintica) y, por otra, a la
naturaleza o las sustancias de que est hecho el cuerpo al que se
hace referencia, ya que a cada elemento o compuesto le corresponde
cierta cantidad de energa qumica almacenada a la que se le denomina
contenido energtico. Cuando se lleva a cabo un fenmeno qumico, ste
va acompaado por una manifestacin de energa, ya sea que haya
absorcin o desprendimiento de ella, debido a la energa qumica que
almacenan las sustancias Lo anterior significa que, cuando la
energa qumica almacenada de los reactivos es mayor que la energa de
los productos, hay un excedente de energa que se libera, pues la
energa se mantiene constante, es decir, no se crea ni se destruye.
Por ejemplo, al reaccionar metano (gas combustible) con el oxgeno
(gas comburente), hay desprendimiento de energa como producto,
porque el contenido energtico del metano y del oxgeno es mayor al
que posee el dixido de carbono y el agua, que son las sustancias
que se forman durante la reaccin:
Por lo tanto, si, al reaccionar, una o varias sustancias
producen otras con mayor contenido energtico, habr absorcin de
energa por parte de los reactivos, como lo muestra la siguiente
reaccin de fotosntesis:
Las sustancias de gran contenido energtico se utilizan como
combustible, ya que al reaccionar con el oxgeno se genera una gran
cantidad de energa en forma de luz y calor. Energa qumica en un
motor Las reacciones qumicas de combustin de compuestos de carbono
con oxgeno para liberar energa son bien conocidas por todos.
Ocurren, por ejemplo, al quemar madera o gas en el horno o bien
cuando la bencina de un auto proporciona la energa necesaria para
su funcionamiento. Estas reacciones son demasiado violentas y poco
controladas para que los organismos vivientes las puedan usar
dentro de una clula. Para que un motor funcione, ste requiere de
combustible que, al reaccionar, desprende energa. En el caso del
motor de combustin interna, la energa del combustible se transforma
en potencia y movimiento, de tal forma que la fuerza producida
sirve para hacer funcionar un autobs, una hlice y un generador,
entre otras cosas.y y y y y
El motor de cuatro tiempos es el motor de combustin interna ms
conocido, y su funcionamiento se lleva a cabo en cuatro etapas, las
cuales son: Primer tiempo (admisin): tiene lugar la penetracin de
una mezcla de combustible y aire a la vlvula de admisin, al bajar
el pistn. Segundo tiempo (compresin): el pistn sube y comprime la
mezcla al reducir el volumen. Tercer tiempo (explosin): al encender
la buja, sta provoca la explosin de la mezcla; en este momento el
pistn es empujado y baja. Cuarto tiempo (expulsin): los gases
producidos por la explosin son expulsados a travs de la vlvula de
expulsin; en este momento el pistn baja.
Representacin esquemtica del funcionamiento de un motor de
cuatro tiempos. La combustin La combustin es una oxidacin violenta,
la cual, a su vez, desprende energa en forma de calor y luz. Los
principales productos de ella son: el CO2, el vapor de agua y la
energa. Ejemplos de este proceso son la combustin del gas de la
estufa, de la lea, y del carbn. En todos estos fenmenos se presenta
una oxidacin y, por lo tanto, tambin tiene lugar una reduccin, ya
que cuando se produce la combustin de una de estas sustancias, el
oxgeno se reduce ganando electrones y el elemento que se oxida los
pierde. En el organismo de los seres vivos existen procesos de
"combustin orgnica", los cuales se denominan as por la similitud
que guardan con los productos obtenidos. Sin embargo, no son
propiamente combustiones, pues no son, oxidaciones violentas. Un
ejemplo de stas es la degradacin de la glucosa que, durante la
respiracin celular, produce CO2, H2O y energa, de acuerdo con la
siguiente reaccin:
En esta ecuacin se observa que cada tomo de oxgeno "gana" 2
electrones (se reduce) y el carbono "pierde" 4 electrones (se
oxida).
La oxidacin del gas butano es una combustin inorgnica, ya que no
se efecta en los seres vivos. Su reaccin es la siguiente:
Energa Elctrica Se denomina energa elctrica a la forma de energa
que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre
dos puntos, lo que permite establecer una corriente elctrica entre
ambos cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor
elctricopara obtener trabajo. La energa elctrica puede
transformarse en muchas otras formas de energa, tales como la
energa luminosa o luz, la energa mecnica y la energa trmica. Su uso
es una de las bases de la tecnologa utilizada por el ser humano en
la actualidad. La energa elctrica se manifiesta como corriente
elctrica, es decir, como el movimiento de cargas elctricas
negativas, o electrones, a travs de un cable conductor metlico como
consecuencia de la diferencia de potencial que un generador est
aplicando en sus extremos. Cada vez que se acciona un interruptor,
se cierra un circuito elctrico y se genera el movimiento de
electrones a travs del cable conductor. Las cargas que se desplazan
forman parte de los tomos de que se desea utilizar, mediante las
correspondientes transformaciones; por ejemplo, cuando la energa
elctrica llega a una enceradora, se convierte en energa mecnica,
calrica y en algunos casos luminosa, gracias al motor elctrico y a
las distintas piezas mecnicas del aparato. Acumuladores elctricos
Hablar de la relacin entre la electroqumica y la energa nos conduce
a una relacin mas que obvia, puesto que en definitiva un proceso
electroqumico cualquiera lleva implcito un cambio de energa. Desde
el punto de vista del aprovechamiento por el hombre de la energa
nos permite centrar el estudio en la energa elctrica. Este tipo de
energa como sabemos puede ser producida de diversas maneras, por
combustin de un combustible adecuado (centrales trmicas),
aprovechando la cada de un curso de agua (centrales
hidroelctricas), aprovechando la energa liberada por una reaccin de
descomposicin radioactiva (centrales atmicas), etc., como las
principales tecnologas empleadas actualmente, a las que se suman
otras como las geotrmicas, elicas, fotovoltaicas, etc. Un punto
clave para el aprovechamiento de la energa generada es la mayor o
menor facilidad para utilizar esa energa, es decir que en algunos
casos una forma de produccin es econmica siempre y cuando la energa
sea utilizada en el momento, el problema surge
cuando se plantea la posibilidad de almacenar esa energa
elctrica. Es aqu donde toman especial relevancia los acumuladores
de energa. Como definicin de estos sistemas podemos emplear aquella
que dice que "son sistemas que permiten la acumulacin de energa"
(estamos utilizando el ttulo como definicin!), pero tal vez nos
quede mas claro si decimos que son sistemas donde ocurre conversin
de energa qumica (almacenada) en energa elctrica y viceversa. Los
dos procesos importantes relacionados con el funcionamiento de las
bateras son respectivamente la carga y descarga de las mismas.
Durante la carga el sistema se aleja del equilibrio termodinmico
mediante la aplicacin de energa externa. En el caso de las bateras
no recargables esto se produce en el momento de su manufactura. En
la etapa de descarga el sistema trata de alcanzar el equilibrio, se
producen reacciones espontneas y los electrones intercambiados son
aprovechados mediante un circuito externo. DESCRIPCIN DE UNA CELDA
Independientemente del tipo de acumulador que consideremos y de la
geometra final que este posea, todos estos sistemas estn compuestos
por los mismos componentes bsicos: nodo: Es aquel electrodo donde
ocurre la reaccin de oxidacin, prdida de electrones. Por convencin
su signo vara en una batera secundaria cuando es cargada o
descargada. Ctodo: Electrodo donde ocurre la reaccin de reduccin,
ganancia de electrones. En el diseo de ambos electrodos se procura
utilizar materiales livianos, de gran rea, de buena conductividad,
resistentes a la corrosin, etc. Material activo: Se refiere a la
masa que realmente participa en el proceso electroqumico. Este
parmetro es muy importante puesto que est ligado directamente a la
eficiencia electroqumica. Muchos sistemas tienen una baja
eficiencia puesto que gran parte del material que se incorpora en
los electrodos tiene solo una funcin estructural. Separador: Este
material permite ubicar los electrodos lo mas prximo posible,
importante por el espacio que ellos ocupan, pero impide que los
mismos estn en un contacto directo, puesto que esta situacin
provocara que reaccionaran directamente sin posibilidad de
aprovechar esa energa. Se construyen de un material inerte poroso
que permita el flujo de electrolito. Electrolito: Componente
importante puesto que esta solucin permite la conduccin inica en el
interior de la batera y contiene reactivos y productos de los
procesos electroqumicos. En algunos casos el electrolito se
encuentra embebido formando una pasta, como en el caso de la pila
"seca", inmovilizado como en las bateras "tipo gel", o en forma
lquida como en el caso de las bateras alcalinas (solucin de KOH) o
en las de plomo-cido (solucin de H2SO4)
Contenedor: Se construyen de materiales resistentes al ataque
qumico de los componentes y aportan resistencia mecnica al
acumulador. En tiempos recientes se estn fabricando a partir de
materiales plsticos, lo que permite una mejor visin del nivel de
electrolito, disminucin de peso y posibilidad de reciclaje.
Clasificacin de los Acumuladores o Bateras Una batera forman parte
del entorno diario (y mucho mas de lo que imaginamos), sin embargo
cuando se analiza las aplicaciones, la forma de trabajar, de cmo se
construyen, etc. Se observa que pueden ser bastante diferentes
entre si, por lo que intentar una clasificacin que no ser por
cierto estricta, sino siguiendo la tradicin electroqumica. Bateras
Primarias Aquellas que tienen energa almacenada en forma de
reactivos qumicos que se libera como energa elctrica cuando son
conectadas, pero lo hacen en un solo ciclo, es decir que una vez
descargadas no es posible recuperarlas. Se dice que tienen un solo
ciclo de descarga. El ejemplo mas conocido entre nosotros es la
"pila seca" o de Leclanch, ampliamente utilizada por ejemplos en
electrodomsticos. Esta pila utiliza como nodo Zn y el ctodo es una
pasta de MnO2 junto con C que acta como colector de la corriente.
El electrolito es una pasta cida de NH4Cl y ZnCl2. Las
correspondientes reacciones son: Zn + H2O _ ZnO + 2e + 2H+ (nodo)
2MnO2 + 2e + 2H+ _2MnOOH (ctodo) Zn + 2MnO2 + H2O _ZnO + 2MnOOH
(reaccin neta) A pesar de la creencia popular, esta reaccin es
irreversible termodinmicamente por lo que no es factible recargar
la pila independientemente del tratamiento fsico a que se la
someta. Dentro de esta misma familia, en los ltimos aos se comenz a
comercializar las denominadas "bateras alcalinas", en las que se
reemplaz el electrolito cido por KOH (al 30%), y la reaccin andica
es ahora Zn + 4 OH- _ Zn(OH)4 2- + 2e Bateras secundarias Aquellas
que las reacciones qumicas que participan en la conversin de energa
pueden ser revertidas en un grado mas o menos completo, en otras
palabras sistemas que permiten ser recargados, es decir que poseen
mas de un ciclo de carga y descarga (pueden ser miles). En este
tipo de bateras se encuentra el sistema mas popular del mundo, la
batera de plomo, conocida como plomo-cido en relacin al electrolito
que utiliza, la que a pesar de tener mas de un siglo de inventada
brinda prestaciones que no han sido superadas totalmente
hasta ahora. Utiliza como electrolito una solucin de cido
sulfrico con densidad 1,28 g/ml a 25oC. En este caso las reacciones
de electrodo pueden simplificarse como: Pb + H2SO4 _ PbSO4 + 2e +
2H+ (en el nodo) PbO2 + 2H2SO4 _PbSO4 + 2H2O + SO4 2- (en el ctodo)
Pb + PbO2 + 2H2SO4 _ 2PbSO4 + 2H2O (reaccin global). Un detalle
particular es el rol del cido sulfrico, ya que si bien no sufre
directamente reaccin de oxidacin o reduccin, dado que se consume
durante el funcionamiento de la batera conduce a una disminucin de
la densidad del solucin de electrolito, por lo que se emplea esta
magnitud para estimar el estado de carga de la batera. Otra batera
de gran uso industrial, y en los ltimos aos con la aparicin de la
telefona celular, son las alcalinas del tipo de Nquel-Cadmio o
Nquel-Hierro. En este caso el nodo es de Cd o Fe segn el caso y el
ctodo es un electrodo impregnado de hidrxido de nquel el que cuando
acta como ctodo de la batera se encuentra como NiOOH. El
electrolito es una solucin concentrada (30%) de KOH. Las reacciones
correspondientes son M + 2OH_M(HO)2 + 2e (en el nodo, con M= Cd o
Fe) 2NiOOH + 2H2O + 2e _Ni(OH)2 +2OH(en el ctodo) M + 2NiOOH + 2H2O
+ _ M(OH)2 + 2Ni(OH)2 (reaccin neta) Celdas de combustible Si bien
no son estrictamente iguales a los sistemas anteriores se las suele
incluir en esta clasificacin. En las celdas de combustin la energa
elctrica es obtenida tambin a partir de una reaccin qumica, pero en
estos sistemas los reactivos no se encuentran en el interior de la
celda sino que son alimentados continuamente de depsitos externos.
Esta caracterstica le permite trabajar continuamente mientras haya
disponibilidad de re activos. Existen distintos tipos de celdas de
combustin, diferenciadas fundamentalmente por la temperatura de
trabajo, la mas conocida es la celda de cido fosfrico. Este tipo de
sistemas de produccin de energa implica el uso de una tecnologa
especial y costosa, que provoc que en sus inicios tuviera una
limitada aplicacin, fundamentalmente en el campo aeroespacial; pero
en los ltimos tiempos se estn desarrollando sistemas de menor costo
y aplicaciones mas cotidianas, fuentes de poder, vehculos
elctricos, etc. Las reacciones espontneas que ocurren en la celda
son la oxidacin del hidrgeno en el nodo y la reduccin del oxgeno en
el ctodo para dar lugar a la formacin de agua. 2H2 + O2 _ 2H2O Los
principales inconvenientes provienen de la necesidad de emplear
reactivos de alta pureza y que las reacciones ocurren sobre la
superficie de metales catalizadores como el platino, de alto costo
y con posibilidad de sufrir "envenenamiento" por impurezas
Parmetros de importancia
Desde el punto de vista del comportamiento electroqumico de
estos sistemas se estudian algunos parmetros de importancia, para
poder analizar en qu estado se encuentran las bateras. Voltaje El
valor depender del sistema de nodo y ctodo que se tenga as como de
los respectivos sobre-potenciales que tengan esos electrodos V= Ec
- Ea hA - hC Para obtener el mayor voltaje en una batera, es til
combinar dos electrodos que tengan potenciales muy diferentes (Ec y
Ea), adems de disear y operar la batera de manera de disminuir al
mximo la polarizacin (hA-hC). Corriente Directamente relacionado
con la aplicacin, se podr requerir que sea constante pero en un
largo perodo de tiempo; por ejemplo en un marcapasos se necesitarn
corrientes del orden de los micro amperes (1x10-7 ampere) durante
un largo perodo de tiempo (aos). Mientras que en el lanzador de un
torpedo, se requieren que en un segundo pasen 5000 amperes!
Capacidad Da una idea de la carga almacenada y disponible en la
batera. Este valor est limitado por el electrodo de menor
capacidad. Se la expresa en unidades de carga como Ampere x hora
(Ah). Por ejemplo para una batera de traccin la capacidad es del
orden de 10 a 20 kAh, mientras que para una batera que mantiene la
memoria de un computador es del orden de 0,1 a 0,5 Ah Densidad de
almacenamiento de energa Es una medida de la carga por unidad de
peso total de la batera. Esto resulta especialmente importante para
bateras de traccin en vehculos elctricos o uso aeroespacial.
Densidad de Potencia Es la potencia por unidad de peso de la
batera. Velocidad de descarga Se la expresa como un cociente: C/n y
es la corriente que permite descargar la capacidad C en n horas.
Vida media Cantidad de ciclos de carga y descarga a los que se
puede someter la batera antes de
terminar su vida til. Eficiencia de energa Es el cociente entre
la energa obtenida en la descarga y la energa empleada para cargar
la batera. Comportamiento ante la sobrecarga De importancia para
las bateras secundarias, ya que reacciones secundarias (por ejemplo
electrlisis del agua) pueden disminuir notablemente la vida til del
sistema. Autodescarga Perdida de carga por reacciones qumicas que
ocurren aunque el sistema no est siendo utilizado. Tolerancia a las
condiciones de uso De acuerdo al uso, se requerir resistencia a
temperaturas extremas, golpes mecnicos, posicin, etc. Aplicaciones
de los acumuladores Pensar en un mundo sin bateras, resultara en un
ambiente bien diferente de lo que conocemos hoy, esto se debe al
gran nmero de aplicaciones modernas que tienen estos sistemas de
almacenamiento y conversin de energa. Esta situacin hace que el
intento de clasificarlas de acuerdo al uso de las mismas sea una
tarea complicada. Basta realizar un pequeo ejercicio mental y
tratar de enumerar sistemas donde se utilicen bateras y seguramente
nuestro listado contemplar, juguetes, radios, motos, satlites,
aviones, robots, marcapasos, computadores, equipos mdicos
porttiles, celulares, submarinos, boyas, antenas, bicicletas
elctricas, linternas, etc. El diseo y proceso de fabricacin de
acumuladores de energa, est ligado a la aplicacin que tendr,
tradicionalmente se destacan tres tipos de usos diferentes: Bateras
estacionarias: Generalmente son de gran tamao, estn inmovilizadas
en un sitio y se emplean para acumular grandes cantidades de
energa. Estos acumuladores, por ejemplo pueden ser utilizados en
los sistemas integrados de energa que mencionaremos mas adelante,
se utilizan como fuentes de emergencia, para alimentar equipos
remotos, etc. Bateras de traccin: Son empleadas para propulsar
motores elctricos, se requieren que tengan bajo peso pero una gran
potencia, se emplean en vehculos industriales, submarinos, etc.
Bateras SLI (Starting, Lighting and Ignition): Son las empleadas
habitualmente en los vehculos de motor de combustin, pueden ser
recargadas y se utilizan para arrancar el motor, iluminacin, etc.
Estas clasificaciones en modo alguno pretenden ser completas, en
razn del amplio espectro de uso de los acumuladores. Solventes y
electrolitos: En cualquier sistema electroqumico independientemente
de la aplicacin y tamao del mismo, ser necesario el empleo de
electrolitos adecuados. Si bien la mayora de los experimentos
analticos llevados a cabo en el laboratorio emplean soluciones
acuosas, puede ser necesario el empleo de solventes orgnicos o
incluso solventes mixtos. De todas maneras se pueden mencionar
algunos aspectos generales que caracterizarn a los electrolitos
empleados en trabajos electroqumicos. Caractersticas importantes -
Carcter prtico: importante aspecto si existen intermediarios que
puedan reaccionar con el solvente. Es posible clasificarlos de
acuerdo a su capacidad donadora de protones. Es importante no solo
analizar el aspecto termodinmico de estos equilibrios sino tambin
la cintica de estos procesos de liberacin de protones. En estudios
mecansticos se prefieren solventes aproticos, por ejemplo aquellos
donadores pobres por estar unidos los hidrgenos a elementos no muy
electronegativos. Esta preferencia obedece al hecho que los
intermediarios, especialmente los radicales aniones son ms estables
en este tipo de solventes. - Lmite de voltaje: para cada solvente
existe un potencial lmite andico y catdico, ms all donde es
imposible estudiar reacciones electroqumicas de algn determinado
soluto, debido a la oxidacin o reduccin (descomposicin) del mismo
solvente. Estos lmites definen lo que se denomina "ventana de
potencial", esto es, la zona til de trabajo que permite ese
solvente. - Polaridad del solvente: este parmetro est en relacin
con el momento dipolar que presente el solvente as como de su
constante dielctrica. Este aspecto es importante especialmente en
relacin al proceso de ionizacin de un determinado electrolito. Se
debe recordar que cuando se tienen dos cargas elctricas de signo
contrario (el caso de un electrolito fuerte completamente
disociado) la fuerza actuante entre ellas es inversamente
proporcional a la constante dielctrica del medio que las separa.
Por lo tanto un solvente que tenga una constante dielctrica alta,
promover la disociacin de un soluto inico y conducir a una
disminucin de la resistencia de la solucin. Por el contrario una
baja constante dielctrica (se considera por debajo de 15) favorecer
la asociacin inica formndose los denominados pares inicos. - Rango
lquido y presin de vapor: dado que la mayora de los experimentos
electroqumicos requieren que se realicen en fase lquida es
importante considerar las temperaturas y presiones mximas de
trabajos que permitan tener el solvente en ese estado. Asimismo la
presin de vapor de los solventes es importante con relacin al
proceso de "purga" que algunas tcnicas requieren. Esto es as puesto
que si se trabaja con un solvente con presin de vapor elevada,
podra suceder que con el pasaje de una corriente de gas
inerte se "arrastrara" la fase vapor del solvente con la
correspondiente complicacin para mantener una determinada
concentracin del electrolito. - Viscosidad: este parmetro resulta
importante de analizar especialmente cuando los experimentos
electroqumicos requieren de un adecuado control difusional,
estudios de conveccin, etc. - Miscibilidad con otros solventes: el
recurso de emplear solventes mixtos se emplea frecuentemente para
analizar la influencia de un cambio en la constante dielctrica del
medio. Para este propsito se debe tener en cuenta en que medida
estos solventes son miscibles entre si. Existen tabulados algunos
parmetros que permiten, de manera emprica, predecir si una
determinada mezcla conducir a una solucin homognea. - Propiedades
espectroscpicas: algunas tcnicas electroqumicas implican la
aplicacin simultanea de tcnicas espectroscpicas, por ejemplo
espectroscopia UV, IR, visible, etc. En estos casos ser importante
por lo tanto considerar las longitudes de onda donde el solvente
presenta interaccin con la radiacin ya que de este modo se definir
una "ventana til" de trabajo. Rol Del Sistema Solvente-Electrolito
Para los estudios electroqumicos es importante considerar esta
interaccin habida cuenta que se est modificando la estructura de la
doble capa elctrica. De este modo por ejemplo se tiene en cuenta
que cuando se tienen solventes orgnicos estos pueden tener una
orientacin diferente en comparacin a la que presenta en el seno de
la solucin, que los fenmenos de adsorcin son menos pronunciados
cuando se emplean solventes orgnicos y que los iones del
electrolito tambin pueden ser adsorbidos especficamente en la zona
de la doble capa elctrica. Rol Del Electrolito Soporte En la mayora
de los experimentos electroqumicos suele emplearse electrolitos que
si bien no constituyen los compuestos de inters en el proceso, su
presencia hace posible controlar el modo en que ocurren las
reacciones en el sistema. Esta importante funcin se puede resumir
como: - Regulan la resistencia y el transporte de masa por migracin
elctrica (minimizan la cada IR) - Pueden actuar como sistemas
buffer - Pueden actuar como sistemas acomplejantes - Pueden formar
pares inicos, agregados micelares, etc. Esto est relacionado con
los procesos de solvatacin.
- Determinan la estructura de la doble capa elctrica - Imponen
los lmites de voltaje debido a su propia reaccin. 2.3 Bases Legales
La Constitucin de la Repblica Bolivariana de Venezuela (1999),
seala lo siguiente, en su artculo 203, "Son leyes orgnicas las que
as denomina esta Constitucin; las que se dicten para organizar los
poderes pblicos o para desarrollar los derechos constitucionales y
las que sirvan de marco normativo a otras leyes".(p.45) De esto se
infiere que la Constitucin Venezolana, respalda las Leyes Orgnicas
que han sido procesadas y aprobadas a travs de la Asamblea
Nacional, como lo es el caso de la Ley Orgnica de Hidrocarburos. La
Seguridad de la Nacin es competencia y responsabilidad del Estado y
se fundamenta en su desarrollo integral. En Venezuela, en la
actualidad, el desarrollo nacional como pilar fundamental de la
seguridad, tiene como base principal de sustentacin los recursos de
hidrocarburos. El aprovechamiento integral de esos recursos
requiere de una ley que le garantice a la Nacin venezolana la
optimizacin de su industria petrolera, dentro de los parmetros de
explotacin racional, garanta de justos ingresos fiscales,
conservacin del recurso, contribucin al desarrollo social y
proteccin del ambiente, acciones todas, que coadyuvan a fortalecer
y a garantizar nuestra seguridad. Por lo anterior, se puede
considerar que la legislacin sobre los hidrocarburos es una de las
ms importantes del pas, despus de la Constitucin, porque debe
regular, en forma clara y precisa, una de las bases de la economa y
de la sociedad venezolana. Segn la Ley Orgnica de Hidrocarburos,
seala en su artculo N 5 lo siguiente: Artculo 5. Las actividades
reguladas por este Decreto Ley estarn dirigidas a fomentar el
desarrollo integral, orgnico y sostenido del pas, atendiendo al uso
racional del recurso y a la preservacin del ambiente. A tal fin se
promover el fortalecimiento del sector productivo nacional y la
transformacin en el pas de materias primas provenientes de los
hidrocarburos, as como la incorporacin de tecnologas avanzadas.
Este artculo menciona que cualquier actividad vinculada con el
fomento del desarrollo integral, donde se transformen materias
primas provenientes de hidrocarburos, son legalmente aceptadas en
Venezuela, por tanto se pueden realizar de forma libre siempre
fundamentado en la legislacin venezolana vigente, en el caso de los
acumuladores de energa (bateras), sujeto a la Ley Orgnica de
Hidrocarburos.. 2.4 Definicin de Trminos Bsicos Acumulador
elctrico: Dispositivo constituido por un electrolito, un elemento y
un contenedor que permite almacenar la energa elctrica en forma de
energa qumica y liberarla cuando se conecta con un circuito de
consumo externo. (Glosario de trminos sobre bateras)
Acumulador de plomo o una batera de plomo: Es un acumulador
elctrico en que el material activo de las placas positivas est
formado por compuestos de plomo y el de las placas negativas es
esencialmente plomo y el electrolito, una solucin diluida de cido
sulfrico. (Glosario de trminos sobre bateras) Actividad:
Desintegracin de cierta cantidad de un radionucleido en determinado
estado de energa en determinado tiempo, por intervalo de tiempo, en
determinado momento. (Glosario de trminos sobre bateras) Agua
desionizada o desmineralizada: El agua que no presenta
interferencia en las determinaciones de los constituyentes que se
van a analizar. (Glosario de trminos sobre bateras) Almacenamiento:
Accin de almacenar, reunir, conservar, guardar o depositar
sustancias, residuos y desechos peligrosos en bodegas, almacenes o
contenedores, bajo las condiciones adecuadas. (Glosario de trminos
sobre bateras) Batera: Aparato electroqumico que suministra energa
elctrica a partir de la utilizacin controlada de reacciones
qumicas. Algunas utilizan reacciones qumicas reversibles y pueden
ser recargadas, como las de plomo; otras utilizan reacciones no
reversibles y no tienen ms que una vida til. (Glosario de trminos
sobre bateras) Capacidad del acumulador: Cantidad de electricidad
que el acumulador puede producir antes de que el voltaje se reduzca
a un nivel inferior al lmite de una carga de diez horas. La
capacidad se expresa en amperios/hora (Ah). (Glosario de trminos
sobre bateras) Carga: Operacin mediante la cual una fuente externa
suministra energa elctrica que se convierte en energa qumica en el
acumulador. (Glosario de trminos sobre bateras) Chatarra de origen:
Materiales de chatarra generados in situ que no contienen pinturas
ni recubrimientos slidos. (Glosario de trminos sobre bateras)
Chatarra pronta: Chatarra que resulta de operaciones de manufactura
o fabricacin. (Glosario de trminos sobre bateras) Chatarra de
produccin: Materiales de chatarra generados in situ mediante
fundicin, extrusin, laminado, separacin, forjado,
moldeado/estampado, corte y recorte, y que no contienen pintura ni
revestimientos slidos, pero no materiales de chatarra generados
mediante torneadura, perforacin, laminado y similares operaciones
de maquinado, que se realimentan directamente en la operacin.
(Glosario de trminos sobre bateras) Clula, o clula electroqumica:
Se trata de un generador elctrico constituido por no menos de dos
reacciones electroqumicas (llamadas reacciones semicelulares), una
de los cuales es de carcter reductor y la otra de carcter oxidante.
(Glosario de trminos sobre bateras)
Ceniza: a) Materiales que quedan como residuos de procesos
pirometalrgicos, como combustin de carbn o incineracin de pelculas
fotogrficas, tableros de circuitos, alambres de cobre, etc., que
pueden reciclarse para aprovechar su contenido de metales no
ferrosos. b) Capa superior del metal fundido, como el plomo y el
zinc que se han oxidado en contacto con el aire. Al ser espumada,
la ceniza es una mezcla limpia del metal y su xido, y por lo tanto
un material adecuado para el reciclado. (Glosario de trminos sobre
bateras) Cenizas acumuladas: Residuos de combustiones no
transportados por el aire, provenientes de la incineracin de
combustibles y otros materiales en un incinerador. El material se
deposita en el fondo del incinerador y es eliminado en forma
mecnica. (Glosario de trminos sobre bateras) Ceniza voladora:
Partculas finamente divididas de ceniza contenidas en los gases
provenientes de combustin. Pueden contener material quemado en
forma incompleta. Se trata frecuentemente de esferas vidriosas,
pero su estructura puede ser tambin cristalina, o inclusive
fibrosa. (Glosario de trminos sobre bateras) Conectores:
Conductores de plomo metlico utilizados para interconectar no slo
las distintas placas, formando elementos, sino tambin los elementos
entre s para formar el circuito elctrico interno. (Glosario de
trminos sobre bateras) Confinamiento: Depositar definitivamente los
desechos peligrosos en sitios y condiciones adecuadas, para
minimizar los impactos negativos a la salud humana y el ambiente.
(Glosario de trminos sobre bateras) Electrolito: Conductor inico en
que se sumergen las placas. En los acumuladores de plomo, el
electrolito es una solucin de cido sulfrico diluido al 36% por peso
(400 g de cido sulfrico por litro de agua destilada). La carga de
un acumulador est determinada por la gravedad especfica o densidad
de su electrolito: un acumulador totalmente cargado tiene un
electrolito con una densidad de 1,270 kg/m3. (Glosario de trminos
sobre bateras) Generador: Toda persona natural o jurdica que a
consecuencia de la manipulacin o de los procesos que realicen,
produzcan residuos o desechos peligrosos. (Glosario de trminos
sobre bateras) Nominal: Hay dos tipos de voltaje nominal: a)
voltaje nominal de la clula: Es el voltaje que puede proporcionar
la reaccin qumica utilizada en el acumulador, lo que en el caso de
las reacciones de los acumuladores de plomo equivale a 2 V; b)
voltaje nominal del acumulador: Es una funcin del nmero de clulas
conectadas en serie; los acumuladores de los automviles
generalmente tienen seis clulas en serie. (Glosario de trminos
sobre bateras)
CAPTULO III
Marco metodolgico3.1 Nivel de Investigacin Esta investigacin se
ubicar en un nivel descriptivo, el cual consiste en la
caracterizacin de un hecho, fenmeno o grupo con el fin de
establecer su estructura o comportamiento. Segn Hurtado, J. (2000),
se establece que para dar respuestas a los diferentes objetivos de
una investigacin, sta debe estar enmarcada en los criterios que
permitan definir la manera de cmo se recolecta la informacin, lo
cual sirve de base para la delimitacin de la investigacin.(p.45).
3.2 Diseo de Investigacin El diseo de investigacin constituye el
plan general del investigador para obtener respuestas a sus
interrogantes o comprobar la hiptesis de investigacin, desglosa las
estrategias bsicas que el investigador adopta para generar
informacin exacta e interpretable. Los mtodos utilizados en el
diseo fueron el anlisis, la sntesis de manera inductiva y
deductiva. Esta investigacin se enmarca en el diseo documental o
bibliogrfico. El autor Tamayo, M. (1997) la define como sigue: Es
cuando recurrimos a la utilizacin de datos secundarios, es decir,
aquellos que han sido obtenidos por otros y nos llegan elaborados y
procesados de acuerdo con los fines de quienes inicialmente los
elaboran y manejan y por lo cual decimos que es un diseo
bibliogrfico. (p.70). Por lo tanto este diseo centra su atencin en
la utilizacin de una estrategia basada en el anlisis de datos
obtenidos de libros, informes de investigacin, monografas, etc. 3.3
Tcnica de Recoleccin de los datos Se utiliz la tcnica de observacin
documental, que segn Tamayo y otros (1996) seala "el paso de
investigaciones que acude a fuentes directas de informacin, visitas
a bibliotecas, sitios de inters donde pueda obtenerse a informacin
requerida para la continuacin de una bibliografa general sobre, el
tema (pg. 130). Asimismo se us el fichaje, el cual es una tcnica
manejada especialmente por los investigadores. Sabino (1997) la
define como sigue: "Es un modo de recolectar y almacenar
informacin, cada ficha contiene una serie de datos extensin
variable pero todos referidos a un mismo tema, lo cual le confiere
unidad y valor propio. (p. 12). El fichaje se realiza de manera
eficiente, a la cual se le incluye en su contenido descriptivo
todos los datos de los libros que sean necesarios para citarlo.
3.4 Tcnicas de procesamiento de los datos La tcnica utilizada en
el desarrollo de esta investigacin es el fichaje, la cual es una
tcnica manejada especialmente por los investigadores. 3.5 Anlisis e
Interpretacin de los Datos Para analizar estos datos, alusivos a
esta investigacin se realizara a travs de este procedimiento: Fase
I: Una vez conocido el campo del estudio y definidos sus lmites de
forma ms aproximada, estaremos en condiciones de establecer el
campo de bsqueda de informacin bibliogrfica: de qu se partir, dnde
se puede encontrar, con qu instrumentos vamos a contar en primer
lugar. Esta fase comenz por establecer las bibliotecas, centros de
documentacin y bases de datos en las que comenzar la bsqueda
especializada de carcter ms genrico y cules sern los primeros
instrumentos de bsqueda, revisando literatura sobre el tema de
acumuladores. Fase II: A partir de este momento, la bsqueda
bibliogrfica se especializa y define: ya no se trata tanto de
encontrar documentacin exhaustiva sobre el particular, sino de
conseguir informacin pertinente sobre aspectos concretos del tema
de estudio, vacos que es necesario salvar o datos que apoyen la
investigacin. En esta fase a son vlidas todas las fuentes de
informacin bibliogrfica y de hecho se debern emplear todo tipo de
instrumentos: identificacin de documentos, Instrumentos para la
localizacin de los documentos: guas, directorios y catlogos de
bibliotecas y archivos, etc. e instrumentos de apoyo a la
investigacin: obras generales, diccionarios, enciclopedias, libros
de estilo, etc. Fase III: Se elaboraron las fichas de trabajo. La
elaboracin de fichas es una tarea imprescindible para el trabajo de
investigacin, sea este del tipo que sea. Lo que no puede
determinarse porque en este aspecto intervienen el tipo de trabajo
desarrollado, la materia estudiada, la forma de plantearse las
estrategias de informacin e incluso el propio gusto personal es la
forma y estructura de las fichas ni el soporte utilizado.
CAPTULO IV
Anlisis de los resultados
4.1 Elementos que intervienen en el proceso de transformacin de
energa qumica y elctrica La experiencia demuestra que conforme la
energa va siendo utilizada para promover cambios en la materia va
perdiendo capacidad para ser empleada nuevamente. El principio de
la conservacin de la energa hace referencia a la cantidad, pero no
a la calidad de la energa, la cual est relacionada con la
posibilidad de ser utilizada. As, una cantidad de energa
concentrada en un sistema material es de mayor calidad que otra
igual en magnitud, pero que se halle dispersa. Aun cuando la
cantidad de energa se conserva en un proceso de transformacin, su
calidad disminuye. Todas las transformaciones energticas asociadas
a cambios materiales, acaban antes o despus en energa trmica; sta
es una forma de energa muy repartida entre los distintos
componentes de la materia, por lo que su grado de aprovechamiento
es peor. Este proceso de prdida progresiva de calidad se conoce
como degradacin de la energa y constituye otra de las
caractersticas de esta magnitud o atributo que han identificado los
fsicos para facilitar el estudio de los sistemas materiales y de
sus transformaciones. Los generadores son dispositivos que
permiten, en las mquinas, la produccin de una determinada fuerza o
energa. En el caso de un generador elctrico, lo que ste realiza es
una mutacin de la energa. Es decir, si se encuentra con energa
mecnica que comprende dos tipos de energa ms: la potencial y la
cintica, relacionada con el movimiento el generador elctrico, como
su denominacin lo indica, la transforma en energa elctrica, que
siempre se va a suscitar cuando un conductor elctrico establece una
relacin entre dos puntos. Por eso es que los generadores tienen, a
su vez, la capacidad de sostener lo que se llama diferencia entre
el potencial Qu significa esto? Que un generador establece entre
sus polos, es decir, entre sus puntos terminales, una labor de
carga de energa positiva que se traslada desde uno de esos puntos
hasta el otro. La tarea de los generadores, que es de transformacin
de la energa, no puede producirse si los conductores elctricos no
reciben el efecto que produce el campo magntico. La diferencia de
potencial a la que nos referimos anteriormente solo puede
mantenerse constante cuando una fuerza electromotriz surge del
movimiento entre ese campo magntico y esos conductores elctricos.
Dentro de la categora mayor de generador elctrico, hay una
subdivisin de ndole primaria y secundaria. El generador primario es
el que tiene a su cargo la transformacin en energa elctrica de otra
energa, de cualquier ndole. La diferencia con el generador
secundario, es que el generador primario transforma una energa que
o bien tiene desde un comienzo o bien que recibe para su posterior
transformacin. El generador secundario, en cambio, lo que hace es
entregar la energa elctrica que recibi anteriormente. El proceso de
generacin de energa elctrica es el de transformacin a partir de
generadores. Y para que haya una transformacin, debe haber una
fuente que se tome como base para realizar el cambio. Dicha fuente
es toda energa que sea considerada como no elctrica. En este grupo
entran las siguientes energas: trmica, mecnica, luminosa y
qumica, entre otras. Este cambio en la energa se lleva a cabo en
inmediaciones apropiadamente denominadas centrales elctricas, las
cuales realizan tan solo los primeros pasos del proceso. Los
siguientes se corresponden ya al suministro de la energa que ha
sido generada, es decir, todos los pormenores del transporte y la
distribucin. En cuanto a esa fuente que se toma para la
transformacin, se la conoce con el nombre de fuente primaria. La
naturaleza de la misma es la que va a condicionar el tipo de
central de generadores de energa. Por ejemplo, la central
termoelctrica genera energa elctrica a partir de energa expulsada
en forma de calor por la combustin de gas o petrleo, por mencionar
algunos ejemplos. En el caso de la central generadora nuclear, en
la misma se ejecuta el proceso de transformacin de energa nuclear
en energa elctrica. En las centrales elicas se utiliza la energa
cintica que genera la corriente de aire; en las centrales
mareomotrices, la energa que surge de las mareas, etc. Pero a pesar
de las diferencias en el rasgo distintivo de la fuente primaria,
todas estas centrales que poseen generadores de energa elctrica
tienen en su haber, como dispositivo clave, el elemento generador
de energa. El mismo est formado, bsicamente, por un alternador. Se
trata de una mquina que es la que termina de realizar la
transformacin de la fuente o energa primaria en energa elctrica. El
proceso que emplea es el de induccin, que produce el voltaje,
tambin llamado fuerza electromotriz. Lo que se genera a travs de la
induccin es una corriente elctrica cuya magnitud y direccin estn en
permanente variacin cclica. A esta corriente se la conoce con el
nombre de corriente alterna. El alternador, entonces, siempre debe
contar con un elemento inductor generador del campo magntico y un
elemento pasivo, sometido, inducido, que siempre estar atravesado
de par en par por las fuerzas emanadas del campo magntico. Cabe
mencionar que el alternador no podr funcionar sin la accin de una
mquina de fluido, comnmente conocida como turbina, que va a
fluctuar en sus caractersticas segn las caractersticas de la energa
primaria que se va a transformar, de ah que haya una turbina
especial para cada central que posea generadores de energa
elctrica. 4.2 Componentes que posee una batera de automvil
vinculados al proceso de transformacin de energa qumica en energa
elctrica Las bateras de cido de plomo tienen un voltaje nominal de
alrededor de dos voltios. La mayora de bateras de coche se componen
de seis celdas y por ello tienen una tensin de doce voltios. El
voltaje que se da en el chispazo de las tpicas bateras es de 1,5
voltios. Las bateras ms usadas son las de Plomo-Acido, Estas
bateras deben estar diseadas para suministrar una gran corriente
durante un periodo de tiempo corto. Suelen tener una vida til de
unos 4-5 aos, y esta est estrechamente ligada con la profundidad de
descarga a la cual se ve sometida es decir a cuanta energa sobre su
capacidad nominal se le "pide" sobre su capacidad nominal, en cada
ciclo de carga y descarga. En las bateras de Plomo-Acido, la vida
til ser mayor cuanto menor sea la descarga de estas bateras en cada
ciclo de carga-descarga.
Las capacidad de una batera viene medida en Amperios por hora
(A.h) que es la cantidad de corriente de descarga disponible
durante un tiempo determinado. Pero esta capacidad es vlida
solamente para una temperatura especfica y profundidad de descarga.
Regulador de carga: Sumisin es preservar la vida de las bateras
para evitar situaciones de sobrecarga y sobredescarga a fin de
alargar la vida de estas. Por lo tanto controlar los procesos de
carga y descarga de la batera en funcin de la generacin y el
consumo de la energa. Las bateras de cido de plomo tienen un
voltaje nominal de alrededor de dos voltios. La mayora de bateras
de coche se componen de seis celdas y por ello tienen una tensin de
doce voltios. A pesar del gran esfuerzo realizado en investigacin
de los diferentes tipos de materiales las bateras de plomo cido son
las preferidas e insuperables por el amplio de aplicaciones que
tienen. El plomo es abundante y no demasiado caro y es por esta
razn por la cual es idneo para la produccin de bateras de buena
calidad en grandes cantidades. Las primeras bateras de plomo-cido
(acumuladores de plomo), fueron fabricadas a mediados del siglo XIX
por Gaston Plant. Hoy en da todava son uno de los tipos de bateras
ms comunes. Se descubri que cuando el material de plomo se sumerga
en una solucin de cido sulfrico se produca un voltaje elctrico el
cual poda ser recargado. Este tipo de bateras es nico en cuanto que
utiliza el plomo, material relativamente barato, tanto para la
placa positiva como para la negativa. El material activo de la
placa positiva es xido de plomo (PbO2). El de la placa negativa es
plomo puro esponjoso y el electrolito est disuelto en (H2SO4).
Cuando hablamos de material activo en las bateras de cido de
plomo,nos referimos al xido de plomo y al plomo esponjoso.
Partes del Acumulador o Bateriay y y y y y y y y y
1. Carcasa: cuerpo fsico del acumulador. 2. Rampa: sello entre
la tapa y la carcaza. 3. Empuadura: (opcional). 4. Borne positivo:
de donde sale la corriente a los dispositivos. 5. Recipiente:
contenedor de las placas. 6. Fijacin: pequea pestaa para evitar
movimientos. 7. Placas negativas: mantienen cerrado el circuito. 8.
Placas positivas: envan corriente elctrica al borne positivo. 9.
Separadores: mantienen aisladas las placas positivas de las
negativas. 10. Rejilla: soportes de la materia activa.
4.3 Proceso de transformacin de energa qumica a energa elctrica
en una batera de automvil Las bateras de acumuladores elctricos de
plomo-cido sulfrico almacenan energa qumica durante la operacin de
carga y la devuelven en forma de energa elctrica para su
aprovechamiento en distintas aplicaciones. Una batera est
constituida por un recipiente que contiene un conjunto de elementos
formados de placas positivas y negativas sumergidas en un
electrolito que es una disolucin de cido sulfrico en agua. Una
batera
se caracteriza por su capacidad de almacenamiento de energa
elctrica en amperios hora (A-h) y su voltaje en voltios (V). Las ms
usuales son de 12 V y con varias capacidades segn el uso a que estn
destinadas. Conectadas en serie se obtienen los voltajes
requeridos. Se emplean como fuente de energa elctrica en vehculos
de transporte, maquinaria de obras pblicas, carretillas elevadoras,
grupos electrgenos, centrales elctricas, etc. Despus de un
determinado tiempo de uso agotan su carga y requieren una recarga.
Esta operacin puede repetirse muchas veces y se debe realizar en
condiciones de seguridad. La batera tiene un determinado numero de
celdas, unidas por medio de barras metlicas, cada celda acumula
algo mas de dos voltios. Las bateras para automviles tienen 6
celdas, que unidas dan un total de 12 voltios. Cada celda, consta
de dos juegos de placas, o electrodos inmersos en una solucin de
agua y acido sulfrico llamado electrolito. Un juego de placas esta
hecho de peroxido de plomo y el otro, de plomo poroso.
Al funcionar la celda, el acido reacciona y convierte la energa
qumica en energa elctrica. En las placas de peroxido de plomo se
genera carga positiva (+) y en las de plomo poroso carga negativa
(-).La corriente elctrica, que se mide en amperios circula por el
sistema elctrico desde un terminal de la batera hasta el otro,
activando el electrolito. Conforme continua la reaccin qumica, se
forma sulfato de plomo en la superficie de ambos juegos de placas,
y el acido sulfrico se diluye gradualmente. Cuando la superficie de
ambos juegos de placas se cubre completamente con el sulfato de
plomo, se descarga la batera. Al recargarlo con una corriente
elctrica, las placas vuelven a su estado original, y el acido
sulfrico se regenera. Con el tiempo, las bateras dejan de
funcionar, y no se pueden recargar, debido a que las placas estn
cubiertas, con una capa de sulfato, tan gruesa que la carga no pasa
a travs de ellas; o bien las placas se desintegran; o hay fugas de
corriente entre las placas de la celda, lo que puede provocar un
cortocircuito. La energa elctrica se almacena y se produce por dos
placas metlicas sumergidas en una solucin qumica (electrolito) a
mayor superficie de las placas se almacena mas energa.
Los separadores porosos no son conductores, y evitan
cortocircuitos, cada grupo forma una celda con un voltaje algo
superior a los 2 voltios. El voltaje de cada celda es el mismo sin
importar su tamao y el nmero de placas. Para lograr voltajes mas
altos las celdas se deben conectar en serie ( por ejemplo 6 celdas
producirn 12 voltios) Para arrancar el motor, se necesita la mxima
corriente de la batera; en el corto periodo en que funciona el
motor de arranque, puede consumir hasta 400 amperes; debido a este
alto consumo no se debe hacer funcionar el motor de arranque mas de
30 segundos continuos; debe dejarse un minuto de intervalo para
reducir la posibilidad de una descarga total, de la batera, o un
sobrecalentamiento en las partes internas del motor de arranque. Un
motor grande necesita, mnimo una batera de 400 Amperes para
arrancar, y un motor pequeo solo necesita uno de 250 A.
Funcionamiento La materia activa positiva es perxido de plomo,
en cambio la materia activa negativa es plomo esponjoso, y el
electrolito como ya mencionamos es cido sulfrico, al conectar un
consumo de corriente se cierra el circuito entre la placa positiva
y la negativa, efectundose las siguientes reacciones qumicas:y
y y
1. El perxido de plomo de la placa positiva se combina con el
cido sulfrico transformndose en sulfato de plomo y liberndose
hidrgeno y oxgeno admitiendo electrones del circuito exterior. 2.
El plomo de la placa negativa se combina con el cido sulfrico
formndose sulfato de plomo y liberndose hidrgeno, cediendo
electrones al circuito exterior 3. El hidrgeno y el oxgeno
liberados se combinan para formar agua. Durante este proceso de
descarga el electrolito disminuye la densidad por el consumo de
cido sulfrico. Los electrones admitidos por una placa y cedidos por
la otra, constituyen la corriente del circuito exterior. CAPTULO
V
Conclusiones y recomendaciones5.1 Conclusiones Al estudiar las
diversas formas de energa, los cientficos han descubierto que la
energa es siempre la misma pero que se presenta de diversas maneras
y que, mediante dispositivos apropiados, puede transformarse de una
forma a otra forma distinta. En la casa puedes observar la
transformacin de la energa elctrica en otras formas. Una estufa la
transforma en energa calorfica; un bombillo, en energa luminosa y
calorfica; un motor, en energa cintica; las bocinas de tu
tocadiscos transforman la energa elctrica en energa sonora. La
energa qumica est relacionada con la forma como los tomos se
enlazan unos con otros para formar las molculas de los cuerpos. Al
romperse esos enlaces por combustin aparecen los efectos de la
energa qumica. La gasolina, el gasoil, el carbn, el gas natural son
substancias que al quemarse liberan la energa que almacenan. Las
plantas verdes usan y almacenan la energa solar para su desarrollo.
Cuando comemos, la energa almacenada en los alimentos se manifiesta
en nuestro interior como calor y capacidad de movimiento. Todos
esos cambios son procesos qumicos. Las bateras de los carros y las
pilas de linterna almacenan tambin energa qumica que se transforma
en energa elctrica, cintica o luminosa mediante un dispositivo
adecuado. La Energa elctrica por su parte, es, tal vez, la forma de
energa con la que estamos ms familiarizados por el uso constante de
los aparatos elctricos en la casa. Los diversos bombillos y
lmparas, el televisor y la radio, la licuadora, la tostadora, un
secador de pelo, un plancha elctrica, son algunos de los aparatos
de uso diario. Su uso est muy generalizado porque es muy fcil
convertirla a otra forma de energa. La energa elctrica que llega a
las casas se convierte, mediante dispositivos apropiados, en luz
(energa
luminosa), en movimiento (energa cintica), en sonido (energa
sonora), en calor (energa trmica). La batera como comnmente se le
llama es un elemento acumulador de energa que la recibe en forma
elctrica y la almacena en forma qumica, en el proceso de descarga
se toma la energa de la batera que es transformada nuevamente en
elctrica y ser la encargada de suministrarla a los consumidores
elctricos. Se entiende la batera como una fuente de energa
independiente del motor de combustin interna, que en caso de
necesidad como cuando se encuentra detenido el motor, abastece de
energa elctrica a ciertos consumidores como lo es el motor de
arranque "Marcha", la bobina de encendido y el alumbrado. Cuando el
motor esta en marcha la batera acumula parte de la energa
suministrada por un generador de corriente llamado alternador. Para
el funcionamiento de la batera para automviles, por ejemplo, el
proceso es el siguiente: 1. Descarga. Cuando se permite circular
una corriente externas entre los terminales positivos y negativos
las placas de plomo y oxido de plomo se van transformando en
sulfato de plomo y liberando agua en el proceso. 2. Cuando se forza
una corriente externa hacia en sentido contrario la placa positiva
de sulfato de plomo se transforma nuevamente en plomo mientras que
la negativa en oxido de plomo. Adems la concentracin de acido
vuelve a ser mayor. Durante la primera etapa toda la energa se
convierte en energa almacenada qumica (mas eficiente). En la
segunda etapa parte de la energa elctrica suministrada se utiliza
para la electrolisis del agua produciendo gases ( oxigeno e
hidrogeno) y es menos eficiente. En esta ultima etapa el voltaje no
aumenta mas y toda la energa suministrada se utiliza para la
electrolisis del agua. Este voltaje que se alcanza aqu se conoce
como voltaje final de carga. 5.2 Recomendacionesy y
Es importante mantener en buen estado el acumulador del vehculo,
sea cual fuere el uso que se le esta dando. Un acumulador en buenas
condiciones que se est descargando constantemente puede deberse
a:
* Bandas del generador o alternador desgastadas, sueltas o muy
lentas. * Corto circuito en el sistema elctrico del vehculo. *
Regulador de voltaje defectuoso o ajustado indebidamente. * Corto
circuito en el sistema de luces. * Generador o alternador
defectuoso. * El automvil no se ha utilizado en un largo
periodo.
* Se dejaron encendidos accesorios elctricos: estreos, luces,
etc.y
Realizar actividades educativas que fomenten el desarrollo de la
investigacin para la produccin de generadores elctricos que
impulsen el desarrollo y diversificacin de la economa
venezolana.
BibliografaConstitucin de la Repblica Bolivariana de Venezuela.
1999. Enciclopedia Encarta 2007. Hurtado, J. (2000), Metodologa de
la Investigacin. Mc Graw Hill. Mxico. Ley Orgnica de Hidrocarburos.
Venezuela 1999. Tamayo, Mario (1997). El proceso de la investigacin
cientfica. Editorial Panapo. Venezuela. Sabino, Carlos. (1996). El
proceso de la Investigacin Cientfica. Panapo Editores. Caracas,
Venezuela.
www.daedalus.es/inteligencia-de-negocio/sistemas-complejos/ingenieria-de-sistemas
es.wikipedia.org/wiki/Batera_elctrica
http://docencia.udea.edu.co/cen/electroquimicaII/sistemas/sistemas_almacenamiento_energ
ia.pdf
http://www.mintra.gov.ve/legal/leyesorganicas/leydehidrocarburo.html
www.wikipedia.com
Autor: Pablo A. Loreto M. Roberto V. Figuera Nicmar M. Torrellas
R.
Joslina V. Perdomo T. Flix A. Morillo R. Ciudad Bolvar -
Venezuela, Junio de 2009. UNIVERSIDAD "GRAN MARISCAL DE AYACUCHO"
FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA DE SISTEMAS CIUDAD
BOLVAR
