Introducción

Desde hace mucho tiempo el hombre utilizaba los materiales de su entorno para diferentes fines. En un principio los materiales eran naturales como la madera, arcilla, diferentes metales etc. Con el transcurso del tiempo y a medida que aumentaban sus necesidades el hombre es capaz de sintetizar mediante diferentes técnicas otros materiales.
Es tal la importancia de los materiales que la historia se clasifica en los siguientes periodos:

  • Edad de piedra: Hace aproximadamente 1 millón de años. Existen hachas, arpones, flechas y otros elementos fabricados con piedra y huesos que datan de esta época.
  • Edad de bronce: Empieza hacia el año 3000 a.C. El cobre lo obtenían mezclando cobre y estaño en estado fundido. Las herramientas fabricadas de bronce eran más duras y más fáciles de fabricar que los de piedra. Se puede decir que el bronce fue la primera aleación utilizada por el ser humano.
  • Edad de hierro: Empieza en el año 1.200 a. de C. aproximadamente. La obtención del hierro era más complicada ya que se debían calentar los metales de hierro a una temperatura muy superior a la del cobre y estaño. El hierro sin embargo permitía fabricar herramientas mucho más duras y resistentes. Existían muchas minas de hierro disponibles a ras de superficie. Las minas de cobre, sin embargo, exigía la fabricación de galerías.

En la segunda mitad del siglo XVIII se produce la Revolución Industrial y es en este periodo cuando el empleo de metales se generalizó.
En la actualidad podríamos definir esta época como la Edad del Silicio, por el desarrollo de los componentes electrónicos. La importancia que tienen hoy en día los materiales es impresionante y cualquier profesional debe conocer sus características para elegir los más apropiados según el caso.
La corteza terrestre es la parte más superficial de la Tierra y tiene un espesor aproximado de 30 km, pudiendo alcanzar hasta los 70 km bajo las montañas.
Esta corteza terrestre está compuesta principalmente por aluminio y silicio. En la siguiente tabla se puede apreciar la composición media en peso.

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Algunos datos de la tierra son los siguientes:

  • Diámetro ecuatorial: 12.756 Km
  • Diámetro polar: 12.713 Km
  • Masa: 5,96×1024 Kg
  • Densidad media: 5,52 g/cm3

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Los metales se pueden encontrar en la mena de los minerales mezclados con oxígeno, formando óxidos, mezclados con azufre formando sulfuros o mezclado con carbono formando carbonatos.
Se conoce con el nombre de siderurgia al conjunto de técnicas que permiten obtener hierro a partir de los minerales.

Esquema de funcionamiento de una central hidroeléctrica

En 1831 Michael Faraday al desplazar un hilo conductor que formaba parte de un circuito cerrado dentro de un campo magnético observó que por el hilo conductor circulaba una corriente. De esta forma Faraday construyó el primer generador eléctrico.
Un generador eléctrico está formado por varias bobinas de hilo de alta conductibilidad que gira dentro de un campo magnético generado por electroimanes. Esto hace que se induzca una corriente eléctrica. Dependiendo de los elementos que posea el generador se puede obtener corriente continua o corriente alterna siendo la alterna la más común pues ésta se puede transportar a grandes distancias.

  • Generadores; La corriente eléctrica se puede obtener por medio de un elemento que gira debido en este caso a la energía de rotación que proporciona la turbina, dentro de un campo eléctrico. Los generadores constan de dos piezas fundamentales el estator y el rotor.
  • Inducción; Este el principio fundamental de todas las máquinas productoras de electricidad como son las dínamos que generan corriente continua y los alternadores generadores de corriente alterna.
  • Electroimán; Mediante una corriente eléctrica podemos fabricar un imán. Si sobre una barra de hierro dulce enrollamos un hilo conductor de cobre y conectamos los extremos del cable a una batería, la barra de hierro se convierte en un imán.
  • Transporte de la corriente eléctrica; Después de obtener la corriente eléctrica, esta debe ser transportada hasta los diferentes puntos de consumo. Estos puntos de consumo están situados normalmente a varios kilómetros de distancia del lugar donde se ha generado la corriente. Este transporte se realiza a través de los llamados tendidos eléctricos. Las pérdidas en el transporte son más pequeñas si la tensión a la salida de la central hidroeléctrica es mayor, esta tensión se debe a la salida de la central con la ayuda de un aparato denominado transformador. Las tensiones que se obtienen son del orden de los 110.000, 220.000 ó 380.000 voltios, lo que se conoce como alta tensión. Esta corriente se transporta mediante gruesos hilos de cobre bien con tendidos aéreos o bien bajo tierra hasta los medios de consumo donde otros transformadores bajan la corriente hasta unos 5.000 voltios (media tensión). Antes de llegar al usuario final la tensión debe bajar hasta valores de 380, 220 o 125 voltios (baja tensión).

La Sala de máquinas se coloca en la parte inferior de la presa.
El caudal que llega a la turbina se regula por medio de compuertas y rejillas.

Elementos de una central Hidroeléctrica

Es un muro de hormigón que retiene el agua, de forma que se forme un embalse. Los muros deben ser diseñados por especialistas, ya que se rotura puede provocar catástrofes como de hecho se producen.
Básicamente se pueden distinguir dos tipos de presas:

  • Presa por gravedad.- El peso de la propia presa soporta los esfuerzos que genera el agua. Deben por lo tanto ser muy rígidas y en ocasiones son huecas, con lo cual se pueden introducir dentro de ellas algunos elementos de la instalación.
  • Presa de bóveda.- El empuje que provoca el agua se transmite a las laderas de la montaña. Esto hace que su tamaño se inferior al de las presas de gravedad y por lo tanto son menos costosas.

Su función es la de dirigir el agua bien hacia las turbinas o bien fuera del paso de la Sala de Máquinas cuando por exceso de agua, esta debe ser liberada a través de compuertas.
En la sala de máquinas se encuentran el grupo denominado turbina-alternador. El eje de la turbina está directamente unido al eje del alternador.
Los transformadores tienen la función de obtener una tensión de salida determinada de forma que la energía eléctrica pueda ser utilizada.
Las líneas de transporte se encargan de llevar la energía desde los puntos donde se genera la energía hasta los puntos de transporte.

Introducción

El objetivo de una central hidroeléctrica es aprovechar la energía potencial del agua de un río para la obtención de energía eléctrica.
Existen diferentes centrales hidroeléctricas en función de su diseño.

  1.  Central con aprovechamiento por derivación de las aguas.
  2. Central con aprovechamiento por acumulación de energía.

Si los ríos tienen un caudal más o menos homogéneo se utilizan centrales denominadas fluyentes. Sin embargo, cuando los ríos tienen grandes fluctuaciones de caudal las centrales utilizadas se denominan de regulación.

Introducción

Consideraremos como energía hidráulica a aquella energía que posee el agua cuando se desplaza por el cauce de un río a una determinada velocidad, o bien, cuando debido a la existencia de desniveles, el agua posee una energía potencial que se transforma en energía cinética.
La energía hidráulica es una fuente energética renovable y a excepción de los embalses su influencia negativa en el medio ambiente es mínima.
Esta energía que posee el agua en estos casos puede ser aprovechada para mover diferentes máquinas como norias, turbinas, etc.
En la Edad Media ya se utilizaba para mover molinos de agua que se aplicaba en la industrial textil y del metal.
Actualmente se utiliza principalmente para producir Energía Eléctrica.
Las antiguas ruedas construidas de madera han sido transformadas en turbinas con unos buenos rendimientos obtenidos como fruto de una mejora del diseño.
Las primeras centrales hidroeléctricas se construyeron en 1882.

Combustibles Gaseosos

Entre los combustibles gaseosos nos podemos encontrar con el gas natural, gases derivados del petróleo y otros gases.
Para que se produzca la combustión es necesario que el gas se mezcle con el comburente que es el oxígeno del aire y además es necesaria la aportación de calor en forma de chispa o llama. El calor producido en la combustión debe ser aprovechado para diferentes procesos industriales y esto hace que las instalaciones donde se producen las combustiones deben de estar perfectamente diseñadas para evitar fugas de calor y los materiales que forman dichas instalaciones deben de soportar altas temperaturas.
La combustión se produce en unas piezas denominadas quemadores, donde se mezcla el combustible (gas) con el comburente (aire).
Los quemadores se diseñan en función del gas a utilizar como combustible para conseguir los máximos rendimientos. Los gases se clasifican en tres grupos diferentes, cada uno de los cuales necesita un diseño diferente de quemadores.

1.- PRIMER GRUPO

Corresponde a los gases de menor poder calorífico comprendido entre 4.000 y 5.550 kcal/m3 en condiciones normales, es decir, a 1 atmósfera de presión y a 0ºC de temperatura. A este gas se le denomina gas ciudad o manufacturado. Este gas se obtiene principalmente a partir del petróleo, carbón y gas natural y se utiliza en viviendas.

2.- SEGUNDO GRUPO

Comprende los gases que poseen un poder calorífico que oscila entre 10.000 y 13.000 kcal/m3 en condiciones normales. Su distribución se realiza mediante tuberías. A este grupo pertenecen el gas natural y mezclas de butano y propano.
3.- TERCER GRUPO
A este último grupo pertenecen los gases licuados del petróleo. Estos gases son almacenados y transportados en forma de líquido. Los gases básicos que componen estos productos son el butano y el propano y se comercializan con los siguientes nombres:

  • Gas butano comercial
  • Gas propano comercial
  • Gas propano metalúrgico.

En la siguiente tabla aparecen las propiedades más importantes.

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El valor del poder calorífico se expresa en condiciones normales. Si se desea obtener este poder calorífico en otras condiciones de presión y temperatura se aplica la siguiente fórmula:

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Estos gases se distribuyen mediante bombonas de acero con las siguientes cargas:

  • Bombona de butano (C4H10). Contiene 12,5 kg. de gas.
  • Bombona de propano (C3H8). Contiene 11 kg. de gas.
  • Bombona de propano metalúrgico. Contiene 35 kg. de gas.

 

El queroseno

El queroseno es un combustible líquido que se utiliza en los aparatos con motores a reacción. Normalmente estos motores se encuentran en aviones de medio y gran tonelaje.

El gasóleo o gasoil

El gasóleo es un combustible líquido utilizado en motores Diésel. Durante mucho tiempo se ha creído que el gasóleo era un combustible de clase inferior a la gasolina. Sin embargo hoy en día se puede considerar que es precisamente lo contrario. Un motor Diésel es más sensible a la mala calidad del gasóleo que uno de explosión lo es a la clase de gasolina empleada. El gasóleo no sólo es un producto refinado , sino que ha de estar muy bien filtrado, pues el poseer impurezas hacen que se deteriore el funcionamiento del equipo de inyección.
Entre la gasolina y el gasóleo hay una diferencia más notable que las de su densidad, poder calorífico, refinado y obligada limpieza. Un motor de explosión golpea o pica precisamente por lo contrario de un motor Diésel. En el motor de explosión se produce el picado cuando la compresión es alta, a plenos gases, a velocidades medias o bajas y con el motor caliente. En el motor Diésel es precisamente al revés. Por otro lado, la composición química del combustible, según el predominio de hidrocarburos aromáticos, parafínicos, y nafténicos, influye de modo opuesto en el funcionamiento de ambos motores. Ello es debido a que en un motor de gasolina se produce la explosión de la mezcla de aire y gasolina con una chispa y se evita de todas las formas posibles que se produzca la detonación o autoencendido. Sin embargo el funcionamiento del motor Diésel está basado en la inflamación espontánea del combustible.

El grado detonante del gasoil se mide por el número de cetano. El gasoil que se utiliza en los motores de automóviles

La gasolina

La gasolina es un combustible líquido e incoloro o ligeramente amarillento utilizado principalmente en los motores de explosión interna. Posee un gran poder calorífico (10.500 cal/kg.), es inflamable, y en estado de vapor mezclado con aire explosivo. En el siglo XX ha sido uno de los elementos fundamentales que ha posibilitado la revolución del transporte. La crisis del petróleo de 1973, supuso un aumento de precio de este combustible, debido a problemas de oferta y demanda, los cuales obligaron a desarrollar recursos energéticos alternativos.
La gasolina está constituida por una mezcla de hidrocarburos como el hexano, heptano y octano. El poder antidetonante de una gasolina expresa su capacidad para soportar la presión ejercida por el pistón en el cilindro de un motor de explosión sin encenderse espontáneamente antes de que el pistón haya terminado su carrera y la chispa salte a la bujía. El poder antidetonante se expresa según una escala de valores llamada número de octanos. Al isooctano se le asigna un índice de octano de 100 ya que es bastante resistente a la detonación. Las gasolinas normales tienen índices de octano aproximadamente de 90 y la gasolina super aproximadamente de 96. El número de octanos de la gasolina depende tanto del crudo de partida como de los sucesivos tratamientos que se han realizado para su obtención. A la gasolina se le pueden añadir antidetonantes como el tetraetil plomo.

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La cantidad de aire que se necesita para quemar un kilogramo de gasolina es de 17 kg. de aire, es decir aproximadamente 13.000 litros. Si expresamos esto en volúmenes, como el litro de gasolina pesa 740 gramos y un litro de aire 1,43 gramos, cada litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de aire. Cada litro de gasolina posee 110 gramos de hidrógeno y 630 gramos de carbono. Este litro de gasolina se mezcla con 10.000 litro de aire, el cual esta formado por 2.100 litros de oxígeno y 7.900 litros de nitrógeno. La combustión de estos elementos dan como resultado los gases de escape que ocupan un volumen de 11.000 litros y están formados por 1 litro de agua en forma de vapor, 1.250 litros de ácido carbónico y 7.900 litros de nitrógeno. En la práctica y especialmente en ralentí, como la combustión no es perfecta, la parte de ácido carbónico, es una mezcla de ácido carbónico y óxido de carbono, siendo este último venenoso.
La energía química contenida en la gasolina se transforma con la explosión la mayor parte en calor y solamente se aprovecha de forma útil el 24% del trabajo. Por lo tanto el rendimiento de un motor de explosión es bajo. En la siguiente tabla se puede observar la distribución de la energía química transformada.

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El petroleo – Productos derivados del petroleo

  • Gases licuados como el butano y el propano.
  • Combustibles para motores térmicos como la gasolina y el gasóleo
  • Combustibles para centrales térmicas como el fuelóil.
  • Aceites de lubricación para motores y máquinas.
  • Asfaltos para revestimientos antihumedades o para pavimentos.

A partir de los productos enumerados anteriormente se pueden obtener otros productos industriales como:

  • Plásticos.
  • Fibras sintéticas como el nailon y el poliéster.
  • Caucho sintético para fabricación de neumáticos.
  • Abonos.
  • Detergentes para limpieza.
  • Disolventes y pinturas.
  • Medicamentos.