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Proceso de transformación de la energía química en eléctrica en los acumuladores de energía de la batería de automóviles (página 2)

Enviado por Roberto Figuera



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El fundamento de las pilas y acumuladores es la transformación de la energía química en eléctrica, mediante reacciones de oxidación-reducción producidas en los electrodos, que generan una corriente de electrones. Cuando se unen mediante un hilo metálico dos cuerpos entre los cuales existe una diferencia de potencial, se produce un paso de corriente que provoca la disminución gradual de dicha diferencia. Al final, cuando el potencial se iguala, el paso de corriente eléctrica 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 energía eléctrica, el hombre se ha visto en la necesidad de crear fuentes de energía que permitan realizar diferentes trabajos, por ejemplo, debido a las deficiencias de electricidad, ha habido la necesidad de utilizar fuentes de energía alternativas, es por ello que en el uso de los computadores para los ingenieros en informática, es de vital importancia y éstos equipos deben poseer fuentes de energía que los hagan trabajar, pero al fallas la energía eléctrica, es necesario buscar fuentes de energía alternativas, es allí donde se utilizan las baterías de gran carga donde se transforma la energía química en eléctrica, lo cual es de mucha utilidad en el área planteada, para evitar pérdidas de información importante.

Es por ello que se pretende estudiar como se realiza el proceso de transformación de la energía química en eléctrica en los acumuladores de energía de la batería de automóviles, vinculando su utilidad al desarrollo de sistemas de computación integrados de forma eficiente y confiable.

1.2 Objetivo General

Describir el proceso de transformación de la energía química en eléctrica en los acumuladores de energía de la batería de automóviles.

1.3 Objetivos Específicos

  • Definir los elementos que intervienen en el proceso de transformación de energía química y eléctrica.

  • Explicar los componentes que posee una batería de automóvil vinculados al proceso de transformación de energía química en energía eléctrica.

  • Detallar el proceso de transformación de energía química a energía eléctrica en una batería de automóvil.

1.4 Justificación e Importancia

Este proyecto se justicia en el sentido que brinda un aporte relacionado con la ingeniería de sistemas, en cuanto al desarrollo y conocimiento de las diversas alternativas de energía para la utilización y funcionamiento de procesadores de forma eficiente (cuando la luz eléctrica no sea la adecuada o simplemente falle) a través del estudio de los componentes de las baterías de automóviles, con miras a la utilización de éstas para el desarrollo de sistemas operativos que permitan salvaguardar información de importancia de diversas empresas, instituciones, etc., ya que uno de los objetivos más interesantes de la Cátedra Física II, se relacionan con la energía potencial, la cual amplia su campo de acción en el desarrollo de las actividades científicas.

La energía potencial es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo, dependiendo de la configuración que tengan en un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre sí. Puede pensarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Más rigurosamente, la energía 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 energía, como la química y la eléctrica las cuales se vinculan al trabajo que se pretende realizar, relacionado con el proceso de transformación de la energía química en eléctrica en los acumuladores de energía de la batería de automóviles.

La Ingeniería de sistemas es un modo de enfoque interdisciplinario que permite estudiar y comprender la realidad, con el propósito de implementar u optimizar sistemas complejos. Puede verse como la aplicación tecnología de la teoría de sistemas a los esfuerzos de la ingeniería, adoptando en todo este trabajo el paradigma sistémico. La ingeniería de sistemas integra otras disciplinas y grupos de especialidad en un esfuerzo de equipo, formando un proceso de desarrollo estructurado.

CAPÍTULO II

Marco teórico

2.1 Antecedentes de la Investigación

Los sistemas de acumulación de energía, si bien constituyen una imagen moderna y propia de nuestros tiempos, constituyeron elementos estratégicos a lo largo de la historia de la humanidad. A modo de ejemplo veamos algunos hechos importantes en el desarrollo de las baterías:

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 batería gigantesca.(20.000 pares!), donada por Napoleon, en el sótano de la Sociedad Real Británica y la utiliza para experimentos de electrólisis.

1859 Raymond Gastón Planté, inventa el acumulador de plomo (batería plomo- ácido), pero no fue de gran utilidad..no se había inventado "la electricidad"..no había nada que acumular!.

1866 George Leclanché, inventa en Francia la "pila seca" (Zinc-Dióxido de Manganeso); sistema que aún domina el mercado mundial de las baterías primarias.

1871 Se inventa la dínamo, comienza la producción industrial de baterías.

1887 El gobierno francés utiliza baterías para movilizar un bote submarino, (primeros vehículos eléctricos)

1893 Funciona un trolebús en la 5ta. Avenida, New York.

1900 Tomas Alva Edison, el gran inventor, patenta la batería níquel-hierro, entre otros usos, la emplea para propulsar su vehículo eléctrico!. Jugner, un inventor sueco, patenta la batería de níquel-cadmio.

1947 Se desarrolla de celda de mercurio, donde en la descarga se emplea un cátodo de HgO, que si bien le proporciona buenas características a la batería, tiene alto costo y finalmente por consideraciones ambientales fue dejada de lado.

1960 Investigadores alemanes desarrollan las batería plomo-ácido con el electrolito inmovilizado (en forma de gel).

1967 La Gates Corporation desarrolla la batería de plomo-ácido "libre mantenimiento" o "sellada". El diseño permite que los gases liberados en la sobrecarga se recombinen en el interior de la batería. Cuenta también con una válvula de seguridad para los casos de una excesiva sobrecarga.

1970 A finales de esta década Sony introduce la primer batería empleando ánodos de Li. En 1990 esta empresa comercializa mundialmente la primer batería de Litio/ión. Dada la alta densidad de energía que presenta este sistema, produce el doble de voltaje que una batería alcalina.

2.2 Bases Teóricas

La Energía Química

La energía química es una manifestación más de la energía. En concreto, es uno de los aspectos de la energía interna de un cuerpo y, aunque se encuentra siempre en la materia, sólo se nos muestra cuando se produce una alteración íntima de ésta.

En la actualidad, la energía química es la que mueve los automóviles, los buques y los aviones y, en general, millones de máquinas. Tanto la combustión del carbón, de la leña o del petróleo en las máquinas de vapor como la de los derivados del petróleo en el estrecho y reducido espacio de los cilindros de un motor de explosión, constituyen reacciones químicas.

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El carbón y la gasolina gasificada se combinan con el oxígeno del aire, reaccionan con él y se transforman suave y lentamente, en el caso del carbón, o instantánea y rápidamente, en el caso de la gasolina dentro de los cilindros de los motores. Las mezclas gaseosas inflamadas se dilatan considerable y rápidamente y en un instante comunican a los pistones del motor su energía de traslación, su fuerza viva o de movimiento.

Si se rodea en el carbón o la leña, la gasolina y el petróleo de una atmósfera de gas inerte, por ejemplo nitrógeno gaseoso, ni los primeros arderían ni los últimos explotarían en los cilindros. El nitrógeno no reacciona con aquellos cuerpos y las mezclas de gasolina y nitrógeno ni arden ni explotan.

Finalmente, hay que mencionar la más reciente y espectacular aplicación de la energía química para lograr lo que durante muchos siglos constituyó su sueño: el viaje de ida y vuelta al espacio exterior y a la Luna, así como la colocación de distintos tipos de satélites artificiales en determinadas órbitas.

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La energía es una propiedad inherente a la materia. La materia posee energía almacenada que se debe, por una parte, a la posición o a la altura de un cuerpo (energía cinética) y, por otra, a la naturaleza o las sustancias de que esté hecho el cuerpo al que se hace referencia, ya que a cada elemento o compuesto le corresponde cierta cantidad de energía química almacenada a la que se le denomina contenido energético. Cuando se lleva a cabo un fenómeno químico, éste va acompañado por una manifestación de energía, ya sea que haya absorción o desprendimiento de ella, debido a la energía química que almacenan las sustancias

Lo anterior significa que, cuando la energía química almacenada de los reactivos es mayor que la energía de los productos, hay un excedente de energía que se libera, pues la energía se mantiene constante, es decir, no se crea ni se destruye.

Por ejemplo, al reaccionar metano (gas combustible) con el oxígeno (gas comburente), hay desprendimiento de energía como producto, porque el contenido energético del metano y del oxígeno es mayor al que posee el dióxido de carbono y el agua, que son las sustancias que se forman durante la reacción:

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Por lo tanto, si, al reaccionar, una o varias sustancias producen otras con mayor contenido energético, habrá absorción de energía por parte de los reactivos, como lo muestra la siguiente reacción de fotosíntesis:

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Las sustancias de gran contenido energético se utilizan como combustible, ya que al reaccionar con el oxígeno se genera una gran cantidad de energía en forma de luz y calor.

Energía química en un motor

Las reacciones químicas de combustión de compuestos de carbono con oxígeno para liberar energía 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 energía necesaria para su funcionamiento. Estas reacciones son demasiado violentas y poco controladas para que los organismos vivientes las puedan usar dentro de una célula.

Para que un motor funcione, éste requiere de combustible que, al reaccionar, desprende energía. En el caso del motor de combustión interna, la energía del combustible se transforma en potencia y movimiento, de tal forma que la fuerza producida sirve para hacer funcionar un autobús, una hélice y un generador, entre otras cosas.

  • El motor de cuatro tiempos es el motor de combustión interna más conocido, y su funcionamiento se lleva a cabo en cuatro etapas, las cuales son:

  • Primer tiempo (admisión): tiene lugar la penetración de una mezcla de combustible y aire a la válvula de admisión, al bajar el pistón.

  • Segundo tiempo (compresión): el pistón sube y comprime la mezcla al reducir el volumen.

  • Tercer tiempo (explosión): al encender la bujía, ésta provoca la explosión de la mezcla; en este momento el pistón es empujado y baja.

  • Cuarto tiempo (expulsión): los gases producidos por la explosión son expulsados a través de la válvula de expulsión; en este momento el pistón baja.

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Representación esquemática del funcionamiento de un motor de cuatro tiempos.

La combustión

La combustión es una oxidación violenta, la cual, a su vez, desprende energía en forma de calor y luz. Los principales productos de ella son: el CO2, el vapor de agua y la energía. Ejemplos de este proceso son la combustión del gas de la estufa, de la leña, y del carbón. En todos estos fenómenos se presenta una oxidación y, por lo tanto, también tiene lugar una reducción, ya que cuando se produce la combustión de una de estas sustancias, el oxígeno se reduce ganando electrones y el elemento que se oxida los pierde.

En el organismo de los seres vivos existen procesos de "combustión orgánica", los cuales se denominan así por la similitud que guardan con los productos obtenidos. Sin embargo, no son propiamente combustiones, pues no son, oxidaciones violentas.

Un ejemplo de éstas es la degradación de la glucosa que, durante la respiración celular, produce CO2, H2O y energía, de acuerdo con la siguiente reacción:

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En esta ecuación se observa que cada átomo de oxígeno "gana" 2 electrones (se reduce) y el carbono "pierde" 4 electrones (se oxida).

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La oxidación del gas butano es una combustión inorgánica, ya que no se efectúa en los seres vivos. Su reacción es la siguiente:

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Energía Eléctrica

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos —cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor eléctrico—para obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.

Su uso es una de las bases de la tecnología utilizada por el ser humano en la actualidad. La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos.

Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera el movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas que se desplazan forman parte de los átomos de— que se desea utilizar, mediante las correspondientes transformaciones; por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se convierte en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa, gracias al motor eléctrico y a las distintas piezas mecánicas del aparato.

Acumuladores eléctricos

Hablar de la relación entre la electroquímica y la energía nos conduce a una relación mas que obvia, puesto que en definitiva un proceso electroquímico cualquiera lleva implícito un cambio de energía. Desde el punto de vista del aprovechamiento por el hombre de la energía nos permite centrar el estudio en la energía eléctrica. Este tipo de energía como sabemos puede ser producida de diversas maneras, por combustión de un combustible adecuado (centrales térmicas), aprovechando la caída de un curso de agua (centrales hidroeléctricas), aprovechando la energía liberada por una reacción de descomposición radioactiva (centrales atómicas), etc., como las principales tecnologías empleadas actualmente, a las que se suman otras como las geotérmicas, eólicas, fotovoltaicas, etc.

Un punto clave para el aprovechamiento de la energía generada es la mayor o menor facilidad para utilizar esa energía, es decir que en algunos casos una forma de producción es económica siempre y cuando la energía sea utilizada en el momento, el problema surge cuando se plantea la posibilidad de almacenar esa energía eléctrica. Es aquí donde toman especial relevancia los acumuladores de energía.

Como definición de estos sistemas podemos emplear aquella que dice que "son sistemas que permiten la acumulación de energía" (estamos utilizando el título como definición!), pero tal vez nos quede mas claro si decimos que son sistemas donde ocurre conversión de energía química (almacenada) en energía eléctrica y viceversa.

Los dos procesos importantes relacionados con el funcionamiento de las baterías son respectivamente la carga y descarga de las mismas. Durante la carga el sistema se aleja del equilibrio termodinámico mediante la aplicación de energía externa. En el caso de las baterías 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 espontáneas y los

electrones intercambiados son aprovechados mediante un circuito externo.

DESCRIPCIÓN DE UNA CELDA

Independientemente del tipo de acumulador que consideremos y de la geometría final que este posea, todos estos sistemas están compuestos por los mismos componentes básicos:

Ánodo: Es aquel electrodo donde ocurre la reacción de oxidación, pérdida de electrones. Por convención su signo varía en una batería secundaria cuando es cargada o descargada.

Cátodo: Electrodo donde ocurre la reacción de reducción, ganancia de electrones. En el diseño de ambos electrodos se procura utilizar materiales livianos, de gran área, de buena conductividad, resistentes a la corrosión, etc.

Material activo: Se refiere a la masa que realmente participa en el proceso electroquímico. Este parámetro es muy importante puesto que está ligado directamente a la eficiencia electroquímica. Muchos sistemas tienen una baja eficiencia puesto que gran parte del material que se incorpora en los electrodos tiene solo una función estructural.

Separador: Este material permite ubicar los electrodos lo mas próximo posible, importante por el espacio que ellos ocupan, pero impide que los mismos estén en un contacto directo, puesto que esta situación provocaría que reaccionaran directamente sin posibilidad de aprovechar esa energía. Se construyen de un material inerte poroso que permita el flujo de electrolito.

Electrolito: Componente importante puesto que esta solución permite la conducción iónica en el interior de la batería y contiene reactivos y productos de los procesos electroquímicos. En algunos casos el electrolito se encuentra embebido formando una pasta, como en el caso de la pila "seca", inmovilizado como en las baterías "tipo gel", o en forma líquida como en el caso de las baterías alcalinas (solución de KOH) o en las de plomo-ácido (solución de H2SO4)

Contenedor: Se construyen de materiales resistentes al ataque químico de los componentes y aportan resistencia mecánica al acumulador. En tiempos recientes se están fabricando a partir de materiales plásticos, lo que permite una mejor visión del nivel de electrolito, disminución de peso y posibilidad de reciclaje.

Clasificación de los Acumuladores o Baterías

Una batería forman parte del entorno diario (y mucho mas de lo que imaginamos), sin embargo cuando se analiza las aplicaciones, la forma de trabajar, de cómo se construyen, etc. Se observa que pueden ser bastante diferentes entre si, por lo que intentará una clasificación que no será por cierto estricta, sino siguiendo la tradición electroquímica.

Baterías Primarias

Aquellas que tienen energía almacenada en forma de reactivos químicos que se libera como energía eléctrica 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 Leclanché, ampliamente utilizada por ejemplos en electrodomésticos.

Esta pila utiliza como ánodo Zn y el cátodo es una pasta de MnO2 junto con C que actúa como colector de la corriente. El electrolito es una pasta ácida de NH4Cl y ZnCl2.

Las correspondientes reacciones son:

Zn + H2O _ ZnO + 2e + 2H+ (ánodo)

2MnO2 + 2e + 2H+ _2MnOOH (cátodo)

Zn + 2MnO2 + H2O _ZnO + 2MnOOH (reacción neta)

A pesar de la creencia popular, esta reacción es irreversible termodinámicamente por lo que no es factible recargar la pila independientemente del tratamiento físico a que se la someta. Dentro de esta misma familia, en los últimos años se comenzó a comercializar las denominadas "baterías alcalinas", en las que se reemplazó el electrolito ácido por KOH (al 30%), y la reacción anódica es ahora Zn + 4 OH- _ Zn(OH)4 2- + 2e

Baterías secundarias

Aquellas que las reacciones químicas que participan en la conversión de energía 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 baterías se encuentra el sistema mas popular del mundo, la batería de plomo, conocida como plomo-ácido en relación 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 solución de ácido sulfúrico 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 ánodo) PbO2 + 2H2SO4 _PbSO4 + 2H2O + SO4 2- (en el cátodo) Pb + PbO2 + 2H2SO4 _ 2PbSO4 + 2H2O (reacción global).

Un detalle particular es el rol del ácido sulfúrico, ya que si bien no sufre directamente reacción de oxidación o reducción, dado que se consume durante el funcionamiento de la batería conduce a una disminución de la densidad del solución de electrolito, por lo que se emplea esta magnitud para estimar el estado de carga de la batería.

Otra batería de gran uso industrial, y en los últimos años con la aparición de la telefonía celular, son las alcalinas del tipo de Níquel-Cadmio o Níquel-Hierro. En este caso el ánodo es de Cd o Fe según el caso y el cátodo es un electrodo impregnado de hidróxido de níquel el que cuando actúa como cátodo de la batería se encuentra como NiOOH. El electrolito es una solución concentrada (30%) de KOH. Las reacciones correspondientes son M + 2OH- _M(HO)2 + 2e (en el ánodo, con M= Cd o Fe) 2NiOOH + 2H2O + 2e _Ni(OH)2 +2OH- (en el cátodo) M + 2NiOOH + 2H2O + _ M(OH)2 + 2Ni(OH)2 (reacción neta)

Celdas de combustible

Si bien no son estrictamente iguales a los sistemas anteriores se las suele incluir en esta clasificación. En las celdas de combustión la energía eléctrica es obtenida también a partir de una reacción química, pero en estos sistemas los reactivos no se encuentran en el interior de la celda sino que son alimentados continuamente de depósitos externos.

Esta característica le permite trabajar continuamente mientras haya disponibilidad de re activos. Existen distintos tipos de celdas de combustión, diferenciadas fundamentalmente por la temperatura de trabajo, la mas conocida es la celda de ácido fosfórico. Este tipo de sistemas de producción de energía implica el uso de una tecnología especial y costosa, que provocó que en sus inicios tuviera una limitada aplicación, fundamentalmente en el campo aeroespacial; pero en los últimos tiempos se están desarrollando sistemas de menor costo y aplicaciones mas cotidianas, fuentes de poder, vehículos eléctricos, etc. Las reacciones espontáneas que ocurren en la celda son la oxidación del hidrógeno en el ánodo y la reducción del oxígeno en el cátodo para dar lugar a la formación 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

Parámetros de importancia

Desde el punto de vista del comportamiento electroquímico de estos sistemas se estudian algunos parámetros de importancia, para poder analizar en qué estado se encuentran las baterías.

Voltaje

El valor dependerá del sistema de ánodo y cátodo que se tenga así como de los respectivos sobre-potenciales que tengan esos electrodos V= Ec - Ea –hA - hC

Para obtener el mayor voltaje en una batería, es útil combinar dos electrodos que tengan potenciales muy diferentes (Ec y Ea), además de diseñar y operar la batería de manera de disminuir al máximo la polarización (hA-hC).

Corriente

Directamente relacionado con la aplicación, se podrá requerir que sea constante pero en un largo período de tiempo; por ejemplo en un marcapasos se necesitarán corrientes del orden de los micro amperes (1x10-7 ampere) durante un largo período de tiempo (años). 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 batería. Este valor está limitado por el electrodo de menor capacidad. Se la expresa en unidades de carga como Ampere x hora (Ah). Por ejemplo para una batería de tracción la capacidad es del orden de 10 a 20 kAh, mientras que para una batería que mantiene la memoria de un computador es del orden de 0,1 a 0,5 Ah

Densidad de almacenamiento de energía

Es una medida de la carga por unidad de peso total de la batería. Esto resulta especialmente importante para baterías de tracción en vehículos eléctricos o uso aeroespacial.

Densidad de Potencia

Es la potencia por unidad de peso de la batería.

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 batería antes de

terminar su vida útil.

Eficiencia de energía

Es el cociente entre la energía obtenida en la descarga y la energía empleada para cargar la batería.

Comportamiento ante la sobrecarga

De importancia para las baterías secundarias, ya que reacciones secundarias (por ejemplo electrólisis del agua) pueden disminuir notablemente la vida útil del sistema.

Autodescarga

Perdida de carga por reacciones químicas que ocurren aunque el sistema no esté siendo utilizado.

Tolerancia a las condiciones de uso

De acuerdo al uso, se requerirá resistencia a temperaturas extremas, golpes mecánicos, posición, etc.

Aplicaciones de los acumuladores

Pensar en un mundo sin baterías, resultaría en un ambiente bien diferente de lo que conocemos hoy, esto se debe al gran número de aplicaciones modernas que tienen estos sistemas de almacenamiento y conversión de energía. Esta situación hace que el intento de clasificarlas de acuerdo al uso de las mismas sea una tarea complicada. Basta realizar un pequeño ejercicio mental y tratar de enumerar sistemas donde se utilicen baterías y seguramente nuestro listado contemplará, juguetes, radios, motos, satélites, aviones, robots,

marcapasos, computadores, equipos médicos portátiles, celulares, submarinos, boyas, antenas, bicicletas eléctricas, linternas, etc.

El diseño y proceso de fabricación de acumuladores de energía, está ligado a la aplicación que tendrá, tradicionalmente se destacan tres tipos de usos diferentes:

Baterías estacionarias: Generalmente son de gran tamaño, están inmovilizadas en un sitio y se emplean para acumular grandes cantidades de energía. Estos acumuladores, por ejemplo pueden ser utilizados en los sistemas integrados de energía que mencionaremos mas adelante, se utilizan como fuentes de emergencia, para alimentar equipos remotos, etc.

Baterías de tracción: Son empleadas para propulsar motores eléctricos, se requieren que tengan bajo peso pero una gran potencia, se emplean en vehículos industriales, submarinos, etc.

Baterías SLI (Starting, Lighting and Ignition): Son las empleadas habitualmente en los vehículos de motor de combustión, pueden ser recargadas y se utilizan para arrancar el motor, iluminación, etc. Estas clasificaciones en modo alguno pretenden ser completas, en razón del amplio espectro de uso de los acumuladores.

Solventes y electrolitos: En cualquier sistema electroquímico independientemente de la aplicación y tamaño del mismo, será necesario el empleo de electrolitos adecuados. Si bien la mayoría de los experimentos analíticos llevados a cabo en el laboratorio emplean soluciones acuosas, puede ser necesario el empleo de solventes orgánicos o incluso solventes mixtos. De todas maneras se pueden mencionar algunos aspectos generales que caracterizarán a los electrolitos empleados en trabajos electroquímicos.

Características importantes

- Carácter prótico: 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 termodinámico de estos equilibrios sino también la cinética de estos procesos de liberación de protones. En estudios mecanísticos se prefieren solventes aproticos, por ejemplo aquellos donadores pobres por estar unidos los hidrógenos a elementos no muy electronegativos. Esta preferencia obedece al hecho que los intermediarios, especialmente los radicales aniones son más estables en este tipo de solventes.

- Límite de voltaje: para cada solvente existe un potencial límite anódico y catódico, más allá donde es imposible estudiar reacciones electroquímicas de algún determinado soluto, debido a la oxidación o reducción (descomposición) del mismo solvente. Estos límites definen lo que se denomina "ventana de potencial", esto es, la zona útil de trabajo que permite ese solvente.

- Polaridad del solvente: este parámetro está en relación con el momento dipolar que presente el solvente así como de su constante dieléctrica. Este aspecto es importante especialmente en relación al proceso de ionización de un determinado electrolito. Se debe recordar que cuando se tienen dos cargas eléctricas de signo contrario (el caso de un electrolito fuerte completamente disociado) la fuerza actuante entre ellas es inversamente proporcional a la constante dieléctrica del medio que las separa. Por lo tanto un solvente que tenga una constante dieléctrica alta, promoverá la disociación de un soluto iónico y conducirá a una disminución de la resistencia de la solución. Por el contrario una baja constante dieléctrica (se considera por debajo de 15) favorecerá la asociación iónica formándose los denominados pares iónicos.

- Rango líquido y presión de vapor: dado que la mayoría de los experimentos electroquímicos requieren que se realicen en fase líquida es importante considerar las temperaturas y presiones máximas de trabajos que permitan tener el solvente en ese estado. Asimismo la presión de vapor de los solventes es importante con relación al proceso de "purga" que algunas técnicas requieren. Esto es así puesto que si se trabaja con un solvente con presión de vapor elevada, podría suceder que con el pasaje de una corriente de gas inerte se "arrastrara" la fase vapor del solvente con la correspondiente complicación para mantener una determinada concentración del electrolito.

- Viscosidad: este parámetro resulta importante de analizar especialmente cuando los experimentos electroquímicos requieren de un adecuado control difusional, estudios de convección, etc.

- Miscibilidad con otros solventes: el recurso de emplear solventes mixtos se emplea frecuentemente para analizar la influencia de un cambio en la constante dieléctrica del medio. Para este propósito se debe tener en cuenta en que medida estos solventes son miscibles entre si. Existen tabulados algunos parámetros que permiten, de manera empírica,

predecir si una determinada mezcla conducirá a una solución homogénea.

- Propiedades espectroscópicas: algunas técnicas electroquímicas implican la aplicación simultanea de técnicas espectroscópicas, por ejemplo espectroscopia UV, IR, visible, etc. En estos casos será importante por lo tanto considerar las longitudes de onda donde el solvente presenta interacción con la radiación ya que de este modo se definirá una "ventana útil" de trabajo.

Rol Del Sistema Solvente-Electrolito

Para los estudios electroquímicos es importante considerar esta interacción habida cuenta que se está modificando la estructura de la doble capa eléctrica. De este modo por ejemplo se tiene en cuenta que cuando se tienen solventes orgánicos estos pueden tener una orientación diferente en comparación a la que presenta en el seno de la solución, que los fenómenos de adsorción son menos pronunciados cuando se emplean solventes orgánicos y que los iones del electrolito también pueden ser adsorbidos específicamente en la zona de la doble capa eléctrica.

Rol Del Electrolito Soporte

En la mayoría de los experimentos electroquímicos suele emplearse electrolitos que si bien no constituyen los compuestos de interés en el proceso, su presencia hace posible controlar el modo en que ocurren las reacciones en el sistema. Esta importante función se puede resumir como:

- Regulan la resistencia y el transporte de masa por migración eléctrica (minimizan la caída IR)

- Pueden actuar como sistemas buffer

- Pueden actuar como sistemas acomplejantes

- Pueden formar pares iónicos, agregados micelares, etc. Esto está relacionado con los procesos de solvatación.

- Determinan la estructura de la doble capa eléctrica

- Imponen los límites de voltaje debido a su propia reacción.

2.3 Bases Legales

La Constitución de la República Bolivariana de Venezuela (1999), señala lo siguiente, en su artículo 203, "Son leyes orgánicas las que así denomina esta Constitución; las que se dicten para organizar los poderes públicos o para desarrollar los derechos constitucionales y las que sirvan de marco normativo a otras leyes".(p.45)

De esto se infiere que la Constitución Venezolana, respalda las Leyes Orgánicas que han sido procesadas y aprobadas a través de la Asamblea Nacional, como lo es el caso de la Ley Orgánica de Hidrocarburos. La Seguridad de la Nación 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 sustentación los recursos de hidrocarburos. El aprovechamiento integral de esos recursos requiere de una ley que le garantice a la Nación venezolana la optimización de su industria petrolera, dentro de los parámetros de explotación racional, garantía de justos ingresos fiscales, conservación del recurso, contribución al desarrollo social y protección del ambiente, acciones todas, que coadyuvan a fortalecer y a garantizar nuestra seguridad. Por lo anterior, se puede considerar que la legislación sobre los hidrocarburos es una de las más importantes del país, después de la Constitución, porque debe regular, en forma clara y precisa, una de las bases de la economía y de la sociedad venezolana.

Según la Ley Orgánica de Hidrocarburos, señala en su artículo Nº 5 lo siguiente:

Artículo 5°. Las actividades reguladas por este Decreto Ley estarán dirigidas a fomentar el desarrollo integral, orgánico y sostenido del país, atendiendo al uso racional del recurso y a la preservación del ambiente. A tal fin se promoverá el fortalecimiento del sector productivo nacional y la transformación en el país de materias primas provenientes de los hidrocarburos, así como la incorporación de tecnologías avanzadas.

Este artículo 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 legislación venezolana vigente, en el caso de los acumuladores de energía (baterías), sujeto a la Ley Orgánica de Hidrocarburos..

2.4 Definición de Términos Básicos

Acumulador eléctrico: Dispositivo constituido por un electrolito, un elemento y un contenedor que permite almacenar la energía eléctrica en forma de energía química y liberarla cuando se conecta con un circuito de consumo externo. (Glosario de términos sobre baterías)

Acumulador de plomo o una batería de plomo: Es un acumulador eléctrico en que el material activo de las placas positivas está formado por compuestos de plomo y el de las placas negativas es esencialmente plomo y el electrolito, una solución diluida de ácido sulfúrico. (Glosario de términos sobre baterías)

Actividad: Desintegración de cierta cantidad de un radionucleido en determinado estado de energía en determinado tiempo, por intervalo de tiempo, en determinado momento. (Glosario de términos sobre baterías)

Agua desionizada o desmineralizada: El agua que no presenta interferencia en las determinaciones de los constituyentes que se van a analizar. (Glosario de términos sobre baterías)

Almacenamiento: Acción de almacenar, reunir, conservar, guardar o depositar sustancias, residuos y desechos peligrosos en bodegas, almacenes o contenedores, bajo las condiciones adecuadas. (Glosario de términos sobre baterías)

Batería: Aparato electroquímico que suministra energía eléctrica a partir de la utilización controlada de reacciones químicas. Algunas utilizan reacciones químicas reversibles y pueden ser recargadas, como las de plomo; otras utilizan reacciones no reversibles y no tienen más que una vida útil. (Glosario de términos sobre baterías)

Capacidad del acumulador: Cantidad de electricidad que el acumulador puede producir antes de que el voltaje se reduzca a un nivel inferior al límite de una carga de diez horas. La capacidad se expresa en amperios/hora (Ah). (Glosario de términos sobre baterías)

Carga: Operación mediante la cual una fuente externa suministra energía eléctrica que se convierte en energía química en el acumulador. (Glosario de términos sobre baterías)

Chatarra de origen: Materiales de chatarra generados in situ que no contienen pinturas ni recubrimientos sólidos. (Glosario de términos sobre baterías)

Chatarra pronta: Chatarra que resulta de operaciones de manufactura o fabricación. (Glosario de términos sobre baterías)

Chatarra de producción: Materiales de chatarra generados in situ mediante fundición, extrusión, laminado, separación, forjado, moldeado/estampado, corte y recorte, y que no contienen pintura ni revestimientos sólidos, pero no materiales de chatarra generados mediante torneadura, perforación, laminado y similares operaciones de maquinado, que se realimentan directamente en la operación. (Glosario de términos sobre baterías)

Célula, o célula electroquímica: Se trata de un generador eléctrico constituido por no menos de dos reacciones electroquímicas (llamadas reacciones semicelulares), una de los cuales es de carácter reductor y la otra de carácter oxidante. (Glosario de términos sobre baterías)

Ceniza:

a) Materiales que quedan como residuos de procesos pirometalúrgicos, como combustión de carbón o incineración de películas fotográficas, 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 óxido, y por lo tanto un material adecuado para el reciclado. (Glosario de términos sobre baterías)

Cenizas acumuladas: Residuos de combustiones no transportados por el aire, provenientes de la incineración de combustibles y otros materiales en un incinerador. El material se deposita en el fondo del incinerador y es eliminado en forma mecánica. (Glosario de términos sobre baterías)

Ceniza voladora: Partículas finamente divididas de ceniza contenidas en los gases provenientes de combustión. Pueden contener material quemado en forma incompleta. Se trata frecuentemente de esferas vidriosas, pero su estructura puede ser también cristalina, o inclusive fibrosa. (Glosario de términos sobre baterías)

Conectores: Conductores de plomo metálico utilizados para interconectar no sólo las distintas placas, formando elementos, sino también los elementos entre sí para formar el circuito eléctrico interno. (Glosario de términos sobre baterías)

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 términos sobre baterías)

Electrolito: Conductor iónico en que se sumergen las placas. En los acumuladores de plomo, el electrolito es una solución de ácido sulfúrico diluido al 36% por peso (400 g de ácido sulfúrico por litro de agua destilada). La carga de un acumulador está determinada por la gravedad específica o densidad de su electrolito: un acumulador totalmente cargado tiene un electrolito con una densidad de 1,270 kg/m3. (Glosario de términos sobre baterías)

Generador: Toda persona natural o jurídica que a consecuencia de la manipulación o de los procesos que realicen, produzcan residuos o desechos peligrosos. (Glosario de términos sobre baterías)

Nominal: Hay dos tipos de voltaje nominal:

a) voltaje nominal de la célula: Es el voltaje que puede proporcionar la reacción química 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 función del número de células conectadas en serie; los acumuladores de los automóviles generalmente tienen seis células en serie. (Glosario de términos sobre baterías)

CAPÍTULO III

Marco metodológico

3.1 Nivel de Investigación

Esta investigación se ubicará en un nivel descriptivo, el cual consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno o grupo con el fin de establecer su estructura o comportamiento.

Según Hurtado, J. (2000), se establece que para dar respuestas a los diferentes objetivos de una investigación, ésta debe estar enmarcada en los criterios que permitan definir la manera de cómo se recolecta la información, lo cual sirve de base para la delimitación de la investigación.(p.45).

3.2 Diseño de Investigación

El diseño de investigación constituye el plan general del investigador para obtener respuestas a sus interrogantes o comprobar la hipótesis de investigación, desglosa las estrategias básicas que el investigador adopta para generar información exacta e interpretable. Los métodos utilizados en el diseño fueron el análisis, la síntesis de manera inductiva y deductiva. Esta investigación se enmarca en el diseño documental o bibliográfico.

El autor Tamayo, M. (1997) la define como sigue:

Es cuando recurrimos a la utilización 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 diseño bibliográfico. (p.70).

Por lo tanto este diseño centra su atención en la utilización de una estrategia basada en el análisis de datos obtenidos de libros, informes de investigación, monografías, etc.

3.3 Técnica de Recolección de los datos

Se utilizó la técnica de observación documental, que según Tamayo y otros (1996) señala "el paso de investigaciones que acude a fuentes directas de información, visitas a bibliotecas, sitios de interés donde pueda obtenerse a información requerida para la continuación de una bibliografía general sobre, el tema (pág. 130).

Asimismo se usó el fichaje, el cual es una técnica manejada especialmente por los investigadores. Sabino (1997) la define como sigue: "Es un modo de recolectar y almacenar información, cada ficha contiene una serie de datos extensión 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 Técnicas de procesamiento de los datos

La técnica utilizada en el desarrollo de esta investigación es el fichaje, la cual es una técnica manejada especialmente por los investigadores.

3.5 Análisis e Interpretación de los Datos

Para analizar estos datos, alusivos a esta investigación se realizara a través de este procedimiento:

Fase I:

Una vez conocido el campo del estudio y definidos sus límites de forma más aproximada, estaremos en condiciones de establecer el campo de búsqueda de información bibliográfica: de qué se partirá, dónde se puede encontrar, con qué instrumentos vamos a contar en primer lugar. Esta fase comenzó por establecer las bibliotecas, centros de documentación y bases de datos en las que comenzará la búsqueda especializada de carácter más genérico y cuáles serán los primeros instrumentos de búsqueda, revisando literatura sobre el tema de acumuladores.

Fase II:

A partir de este momento, la búsqueda bibliográfica se especializa y define: ya no se trata tanto de encontrar documentación exhaustiva sobre el particular, sino de conseguir información pertinente sobre aspectos concretos del tema de estudio, vacíos que es necesario salvar o datos que apoyen la investigación. En esta fase a son válidas todas las fuentes de información bibliográfica y de hecho se deberán emplear todo tipo de instrumentos: identificación de documentos, Instrumentos para la localización de los documentos: guías, directorios y catálogos de bibliotecas y archivos, etc. e instrumentos de apoyo a la investigación: obras generales, diccionarios, enciclopedias, libros de estilo, etc.

Fase III:

Se elaboraron las fichas de trabajo. La elaboración de fichas es una tarea imprescindible para el trabajo de investigación, 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 información e incluso el propio gusto personal es la forma y estructura de las fichas ni el soporte utilizado.

 

CAPÍTULO IV

Análisis de los resultados

4.1 Elementos que intervienen en el proceso de transformación de energía química y eléctrica

La experiencia demuestra que conforme la energía va siendo utilizada para promover cambios en la materia va perdiendo capacidad para ser empleada nuevamente. El principio de la conservación de la energía hace referencia a la cantidad, pero no a la calidad de la energía, la cual está relacionada con la posibilidad de ser utilizada. Así, una cantidad de energía concentrada en un sistema material es de mayor calidad que otra igual en magnitud, pero que se halle dispersa.

Aun cuando la cantidad de energía se conserva en un proceso de transformación, su calidad disminuye. Todas las transformaciones energéticas asociadas a cambios materiales, acaban antes o después en energía térmica; ésta es una forma de energía muy repartida entre los distintos componentes de la materia, por lo que su grado de aprovechamiento es peor. Este proceso de pérdida progresiva de calidad se conoce como degradación de la energía y constituye otra de las características de esta magnitud o atributo que han identificado los físicos para facilitar el estudio de los sistemas materiales y de sus transformaciones.

Los generadores son dispositivos que permiten, en las máquinas, la producción de una determinada fuerza o energía. En el caso de un generador eléctrico, lo que éste realiza es una mutación de la energía. Es decir, si se encuentra con energía mecánica – que comprende dos tipos de energía más: la potencial y la cinética, relacionada con el movimiento – el generador eléctrico, como su denominación lo indica, la transforma en energía eléctrica, que siempre se va a suscitar cuando un conductor eléctrico establece una relación 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 ¿Qué significa esto? Que un generador establece entre sus polos, es decir, entre sus puntos terminales, una labor de carga de energía positiva que se traslada desde uno de esos puntos hasta el otro. La tarea de los generadores, que es de transformación de la energía, no puede producirse si los conductores eléctricos no reciben el efecto que produce el campo magnético.

La diferencia de potencial a la que nos referimos anteriormente solo puede mantenerse constante cuando una fuerza electromotriz surge del movimiento entre ese campo magnético y esos conductores eléctricos. Dentro de la categoría mayor de generador eléctrico, hay una subdivisión de índole primaria y secundaria. El generador primario es el que tiene a su cargo la transformación en energía eléctrica de otra energía, de cualquier índole. La diferencia con el generador secundario, es que el generador primario transforma una energía que o bien tiene desde un comienzo o bien que recibe para su posterior transformación. El generador secundario, en cambio, lo que hace es entregar  la energía eléctrica que recibió anteriormente.

El proceso de generación de energía eléctrica es el de transformación a partir de generadores. Y para que haya una transformación, debe haber una fuente que se tome como base para realizar el cambio. Dicha fuente es toda energía que sea considerada como no eléctrica. En este grupo entran las siguientes energías: térmica, mecánica, luminosa y química, entre otras. Este cambio en la energía se lleva a cabo en inmediaciones apropiadamente denominadas centrales eléctricas, las cuales realizan tan solo los primeros pasos del proceso. Los siguientes se corresponden ya al suministro de la energía que ha sido generada, es decir, todos los pormenores del transporte y la distribución.

En cuanto a esa fuente que se toma para la transformación, 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 energía. Por ejemplo, la central termoeléctrica genera energía eléctrica a partir de energía expulsada en forma de calor por la combustión de gas o petróleo, por mencionar algunos ejemplos.

En el caso de la central generadora nuclear, en la misma se ejecuta el proceso de transformación de energía nuclear en energía eléctrica. En las centrales eólicas se utiliza la energía cinética que genera la corriente de aire; en las centrales mareomotrices, la energía 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 energía eléctrica tienen en su haber, como dispositivo clave, el elemento generador de energía. El mismo está formado, básicamente, por un alternador. Se trata de una máquina que es la que termina de realizar la transformación de la fuente o energía primaria en energía eléctrica. El proceso que emplea es el de inducción, que produce el voltaje, también llamado fuerza electromotriz.

Lo que se genera a través de la inducción es una corriente eléctrica cuya magnitud y dirección están en permanente variación cíclica. 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 magnético y un elemento pasivo, sometido, inducido, que siempre estará atravesado de par en par por las fuerzas emanadas del campo magnético. Cabe mencionar que el alternador no podrá funcionar sin la acción de una máquina de fluido, comúnmente conocida como turbina, que va a fluctuar en sus características según las características de la  energía primaria que se va a transformar, de ahí que haya una turbina especial para cada central que posea generadores de energía eléctrica.

4.2 Componentes que posee una batería de automóvil vinculados al proceso de transformación de energía química en energía eléctrica

Las baterías de ácido de plomo tienen un voltaje nominal de alrededor de dos voltios. La mayoría de baterías de coche se componen de seis celdas y por ello tienen una tensión de doce voltios.    El voltaje que se da en el chispazo de las típicas baterías es de 1,5 voltios.

Las baterías más usadas son las de Plomo-Acido, Estas baterías deben estar diseñadas para suministrar una gran corriente durante un periodo de tiempo corto. Suelen tener una vida útil de unos 4-5 años, y esta está estrechamente ligada con la profundidad de descarga a la cual se ve sometida es decir a cuanta energía sobre su capacidad nominal se le "pide" sobre su capacidad nominal, en cada ciclo de carga y descarga. En las  baterías de Plomo-Acido, la vida útil será mayor cuanto menor sea la descarga de estas baterías en cada ciclo de carga-descarga.

Las capacidad de una batería 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 válida solamente para una temperatura específica y profundidad de descarga.   

Regulador de carga: Sumisión es preservar la vida de las baterías para evitar situaciones de sobrecarga y sobredescarga a fin de alargar la vida de estas. Por lo tanto controlará los procesos de carga y descarga de la batería en función de la generación y el consumo de la energía. Las baterías de ácido de plomo tienen un voltaje nominal de alrededor de dos voltios. La mayoría de baterías de coche se componen de seis celdas y por ello tienen una tensión de doce voltios.

A pesar del gran esfuerzo realizado en investigación de los diferentes tipos de materiales las baterías de plomo ácido son las preferidas e insuperables por el amplio de aplicaciones que tienen. El plomo es abundante y no demasiado caro y es por esta razón por la cual es idóneo para la producción de baterías de buena calidad en grandes cantidades.

Las primeras baterías de plomo-ácido (acumuladores de plomo), fueron fabricadas a mediados del siglo XIX por Gaston Planté. Hoy en día todavía son uno de los tipos de baterías más comunes. Se descubrió que cuando el material de plomo se sumergía en una solución de ácido sulfúrico se producía un voltaje eléctrico el cual podía ser recargado. Este tipo de baterías es único 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 óxido de plomo (PbO2). El de la placa negativa es plomo puro esponjoso y el electrolito está disuelto en (H2SO4). Cuando hablamos de material activo en las baterías de ácido de plomo,nos referimos al óxido de plomo y al plomo esponjoso.

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Partes del Acumulador o Bateria

  • 1. Carcasa: cuerpo físico del acumulador.

  • 2. Rampa: sello entre la tapa y la carcaza.

  • 3. Empuñadura: (opcional).

  • 4. Borne positivo: de donde sale la corriente a los dispositivos.

  • 5. Recipiente: contenedor de las placas.

  • 6. Fijación: pequeña pestaña para evitar movimientos.

  • 7. Placas negativas: mantienen cerrado el circuito.

  • 8. Placas positivas: envían corriente eléctrica al borne positivo.

  • 9. Separadores: mantienen aisladas las placas positivas de las negativas.

  • 10. Rejilla: soportes de la materia activa.

4.3 Proceso de transformación de energía química a energía eléctrica en una batería de automóvil

Las baterías de acumuladores eléctricos de plomo-ácido sulfúrico almacenan energía química durante la operación de carga y la devuelven en forma de energía eléctrica para su aprovechamiento en distintas aplicaciones. Una batería está constituida por un recipiente que contiene un conjunto de elementos formados de placas positivas y negativas sumergidas en un electrolito que es una disolución de ácido sulfúrico en agua. Una batería se caracteriza por su capacidad de almacenamiento de energía eléctrica en amperios hora (A-h) y su voltaje en voltios (V). Las más usuales son de 12 V y con varias capacidades según el uso a que estén destinadas. Conectadas en serie se obtienen los voltajes requeridos. Se emplean como fuente de energía eléctrica en vehículos de transporte, maquinaria de obras públicas, carretillas elevadoras, grupos electrógenos, centrales eléctricas, etc. Después de un determinado tiempo de uso agotan su carga y requieren una recarga. Esta operación puede repetirse muchas veces y se debe realizar en condiciones de seguridad.

La batería tiene un determinado numero de celdas, unidas por medio de barras metálicas, cada celda acumula algo mas de dos voltios. Las baterías para automóviles tienen  6 celdas, que unidas dan un total de 12 voltios.

Cada celda, consta de dos juegos de placas, o electrodos inmersos en una solución  de agua y acido sulfúrico llamado electrolito. Un juego de placas esta hecho de peroxido de plomo y el otro, de plomo poroso.

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Al funcionar la celda, el acido reacciona y convierte la energía química en energía eléctrica. En las placas de peroxido de plomo se genera carga positiva (+) y en las de plomo poroso carga negativa (-).La corriente eléctrica, que se mide en amperios circula por el sistema eléctrico desde un terminal de la batería hasta el otro, activando el electrolito.

Conforme continua la reacción química, se forma sulfato de plomo en la superficie de ambos juegos de placas, y el acido sulfúrico se diluye gradualmente. Cuando la superficie de ambos juegos de placas se cubre completamente con el sulfato de plomo, se descarga la batería. Al recargarlo con una corriente eléctrica, las placas vuelven a su estado original, y el acido sulfúrico se regenera.

Con el tiempo, las baterías dejan de funcionar, y no se pueden recargar, debido a que las placas están cubiertas, con una capa de sulfato, tan gruesa que la carga no pasa a través 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 energía eléctrica se almacena y se produce por dos placas metálicas sumergidas en una solución química (electrolito) a mayor superficie de las placas se almacena mas energía.

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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 tamaño y el número de placas. Para lograr voltajes mas altos las celdas se deben conectar en serie ( por ejemplo 6 celdas producirán  12 voltios)

Para arrancar el motor, se necesita la máxima corriente de la batería; 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 batería, o un sobrecalentamiento en las partes internas del motor de arranque. Un motor grande necesita, mínimo una batería de  400 Amperes para arrancar, y un motor pequeño solo necesita uno de 250 A.

Funcionamiento

La materia activa positiva es peróxido de plomo, en cambio la materia activa negativa es plomo esponjoso, y el electrolito como ya mencionamos es ácido sulfúrico, al conectar un consumo de corriente se cierra el circuito entre la placa positiva y la negativa, efectuándose las siguientes reacciones químicas:

  • 1. El peróxido de plomo de la placa positiva se combina con el ácido sulfúrico transformándose en sulfato de plomo y liberándose hidrógeno y oxígeno admitiendo electrones del circuito exterior.

  • 2. El plomo de la placa negativa se combina con el ácido sulfúrico formándose sulfato de plomo y liberándose hidrógeno, cediendo electrones al circuito exterior

  • 3. El hidrógeno y el oxígeno liberados se combinan para formar agua. Durante este proceso de descarga el electrolito disminuye la densidad por el consumo de ácido sulfúrico. Los electrones admitidos por una placa y cedidos por la otra, constituyen la corriente del circuito exterior.

CAPÍTULO V

Conclusiones y recomendaciones

5.1 Conclusiones

Al estudiar las diversas formas de energía, los científicos han descubierto que la energía 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 transformación de la energía eléctrica en otras formas. Una estufa la transforma en energía calorífica; un bombillo, en energía luminosa y calorífica; un motor, en energía cinética; las bocinas de tu tocadiscos transforman la energía eléctrica en energía sonora.

La energía química está relacionada con la forma como los átomos se enlazan unos con otros para formar las moléculas de los cuerpos. Al romperse esos enlaces por combustión aparecen los efectos de la energía química. La gasolina, el gasoil, el carbón, el gas natural son substancias que al quemarse liberan la energía que almacenan. Las plantas verdes usan y almacenan la energía solar para su desarrollo. Cuando comemos, la energía almacenada en los alimentos se manifiesta en nuestro interior como calor y capacidad de movimiento. Todos esos cambios son procesos químicos. Las baterías de los carros y las pilas de linterna almacenan también energía química que se transforma en energía eléctrica, cinética o luminosa mediante un dispositivo adecuado.

La Energía eléctrica por su parte, es, tal vez, la forma de energía con la que estamos más familiarizados por el uso constante de los aparatos eléctricos en la casa. Los diversos bombillos y lámparas, el televisor y la radio, la licuadora, la tostadora, un secador de pelo, un plancha eléctrica, son algunos de los aparatos de uso diario. Su uso está muy generalizado porque es muy fácil convertirla a otra forma de energía. La energía eléctrica que llega a las casas se convierte, mediante dispositivos apropiados, en luz (energía luminosa), en movimiento (energía cinética), en sonido (energía sonora), en calor (energía térmica).

La batería como comúnmente se le llama es un elemento acumulador de energía que la recibe en forma eléctrica y la almacena en forma química, en el proceso de descarga se toma la energía de la batería que es transformada nuevamente en eléctrica y será la encargada de suministrarla a los consumidores eléctricos. Se entiende la batería como una fuente de energía independiente del motor de combustión interna, que en caso de necesidad como cuando se encuentra detenido el motor, abastece de energía eléctrica 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 batería acumula parte de la energía suministrada por un generador de corriente llamado alternador.

Para el funcionamiento de la batería para automóviles, 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. Además la concentración de acido vuelve a ser mayor.

Durante la primera etapa toda la energía se convierte en energía almacenada química (mas eficiente). En la segunda etapa parte de la energía eléctrica 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 energía suministrada se utiliza para la electrolisis del agua. Este voltaje que se alcanza aquí se conoce como voltaje final de carga.

5.2 Recomendaciones

  • Es importante mantener en buen estado el acumulador del vehículo, sea cual fuere el uso que se le esta dando.

  • Un acumulador en buenas condiciones que se está descargando constantemente puede deberse a:

* Bandas del generador o alternador desgastadas, sueltas o muy lentas.

* Corto circuito en el sistema eléctrico del vehículo.

* Regulador de voltaje defectuoso o ajustado indebidamente.

* Corto circuito en el sistema de luces.

* Generador o alternador defectuoso.

* El automóvil no se ha utilizado en un largo periodo.

* Se dejaron encendidos accesorios eléctricos: estéreos, luces, etc.

  • Realizar actividades educativas que fomenten el desarrollo de la investigación para la producción de generadores eléctricos que impulsen el desarrollo y diversificación de la economía venezolana.

Bibliografía

Constitución de la República Bolivariana de Venezuela. 1999.

Enciclopedia Encarta 2007.

Hurtado, J. (2000), Metodología de la Investigación. Mc Graw Hill. México.

Ley Orgánica de Hidrocarburos. Venezuela 1999.

Tamayo, Mario (1997). El proceso de la investigación científica. Editorial Panapo. Venezuela.

Sabino, Carlos. (1996). El proceso de la Investigación Científica. Panapo Editores. Caracas, Venezuela.

www.daedalus.es/inteligencia-de-negocio/sistemas-complejos/ingenieria-de-sistemas

es.wikipedia.org/wiki/Batería_eléctrica

http://docencia.udea.edu.co/cen/electroquimicaII/sistemas/sistemas_almacenamiento_energia.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.

Félix A. Morillo R.

Ciudad Bolívar - Venezuela, Junio de 2009.

UNIVERSIDAD

"GRAN MARISCAL DE AYACUCHO"

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA DE SISTEMAS

CIUDAD BOLÍVAR

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Partes: 1, 2


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