La Energ�a. El G�nesis.-
La energ�a es una
cantidad que mide la capacidad de cambio o de movimiento; sin energ�a todo
estar�a quieto y sin vida. Son muchas las formas que puede tener la energ�a.
Cuando un cuerpo se mueve a velocidad v, tiene una energ�a debida al movimiento
llamada energ�a cin�tica y se calcula por la formula E=1/2 M v2
donde M es la masa del cuerpo y v su velocidad, otra forma de
energ�a es la energ�a debida a la posici�n, por ejemplo un cuerpo con masa M
situado a una cierta altura del suelo posee una capacidad para adquirir una
velocidad, simplemente cayendo, la energ�a potencial se mide por esa capacidad
de adquirir esta velocidad, la
energ�a potencial es igual a la energ�a cin�tica que adquiere la masa al
caer. Cerca de la superficie terrestre esta energ�a se puede calcular por la
formula E=Mgh, donde g es la aceleraci�n de gravedad y h
la altura a la cual se encuentra. Tambi�n existe una energ�a el�ctrica, si
dos cuerpos cargados con cargas el�ctricas de diferente signo est�n situados
lejos uno del otro, y se sueltan, estos se aceleraran mutuamente debido a la
atracci�n el�ctrica y adquirir�n una energ�a cin�tica igual a la diferencia
de energ�a potencial entre el punto de partida y el punto de llegada. Pero la
forma mas com�n de energ�a es le calor, todo cuerpo a temperatura mayor al
cero absoluto posee sus elementos constitutivos (�tomos, mol�culas) en
movimiento: vibraci�n y/o rotaci�n y/o traslaci�n, este movimiento del
conjunto de todos estos elementos es una energ�a que se manifiesta
como calor. As� dos cuerpos a diferentes temperaturas tendr�n �tomos
que poseen diferentes energ�as cin�ticas medias, cuando se ponen en contacto
los �tomos de mayor energ�a cin�tica transmitir�n por medio de colisiones su
energ�a a los �tomos con menor energ�a cin�tica hasta que las energ�as
medias de los dos cuerpos se igualen, en ese entonces los dos cuerpos estar�n
en equilibrio t�rmico.
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El
calor contenido en un cuerpo es la suma de todas las energ�as cin�tica
de todos los cuerpos constitutivos, la temperatura indica una media de las
energ�as de todos los cuerpos constituyentes. Fig
a. alta temperatura, alta velocidad. Fig
b. Baja temperatura, velocidad baja. |
Otra
forma muy importante para nuestros prop�sitos es la energ�a qu�mica, un
ejemplo puede ilustrar este tipo de energ�a: si tenemos una mezcla de metano
(CH4) y oxigeno (O2) y acercamos un f�sforo se producir�
una reacci�n qu�mica, y al final tendremos di�xido de carbono (CO2)
y agua (H2O), adem�s obtendremos una cantidad de calor, si esta
reacci�n se produce en un cilindro cerrado el calor aumentara la presi�n de
tal manera que el cilindro puede explotar o si se aprovecha adecuadamente puede
mover el pist�n de un motor; se transformara as� de energ�a qu�mica en energ�a
mec�nica.
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CH4 + 2O2 � 2 H2O + CO2 + 891 KJ |
Este
tipo de energ�a s�lo puede ponerse de manifiesto si los �tomos que forman los
compuestos de partida consiguen una configuraci�n diferente con menor energ�a
qu�mica; Otra forma de energ�a es la excitaci�n electr�nica, en un �tomo o
una mol�cula uno o varios de los electrones puede ocupar una orbita que no es
la de m�nima energ�a, por lo tanto puede ceder esta energ�a adoptando una
όrbita de menor energ�a. Otra forma de energ�a lo constituyen las ondas
electromagn�ticas en particular la luz.
Por
ultimo mencionaremos la caracter�stica mas importante de la energ�a: la energ�a
se conserva, puede cambiar de forma pero no podr� ni disminuir ni aumentar[1].
�Pero
si la energ�a no se consume, porque hay una crisis energ�tica?
[1]
En realidad esto no es
asi; Einstein demostr� que en realidad la masa se puede convertir en energ�a
y la energ�a en masa, pero para nuestro prop�sito esto puede ser ignorado.
El segundo principio de la
termodin�mica.- la equipartici�n. La energ�a
permite el cambio, este cambio se produce porque la energ�a cambia de forma, as�
cuando un cuerpo cae transforma su energ�a potencial en cin�tica, al llegar al
suelo el cuerpo golpea contra el suelo y la energ�a cin�tica se transforma en
calor, la cantidad de calor es
igual a la energ�a potencial que tenia antes de moverse, y es igual a la
energ�a cin�tica al terminar el trayecto antes de golpear el suelo. (La
transformaci�n, energ�a cin�tica en calor, que pasa inadvertida, se puede
poner en evidencia golpeando un martillo sobre un metal, entonces se advertir�
que el metal se calienta)
Supongamos
que ponemos en movimiento un auto, en este caso utilizamos la energ�a qu�mica
de la gasolina, parte de la energ�a qu�mica se pierde en calor pero una parte
se transforma en energ�a mec�nica que se utiliza para acelerar el carro
transformando as� la energ�a qu�mica en energ�a cin�tica; al frenar el
carro toda la energ�a cin�tica se transforma en calor, as� al final toda la
energ�a qu�mica se encuentra convertida en calor del recipiente t�rmico en
esta caso la atm�sfera.
La
segunda ley de la termodin�mica nos dice precisamente que la energ�a al caer
en el recipiente t�rmico no puede ser mas transformada a menos de poseer un
recipiente a menor temperatura, y que todos los procesos en los que interviene
energ�a necesariamente terminar�n mandando la energ�a al recipiente t�rmico.
Si queremos sacar energ�a de una fuente de calor esta fuente tiene que estar a
mayor temperatura que el recipiente t�rmico, al pasar el calor de la fuente a
mayor temperatura a la de temperatura mas baja (recipiente t�rmico en este
caso) podemos transformar s�lo parte de esta energ�a en energ�a mec�nica. En
todo proceso de cambio, movimiento o transformaci�n, hay una parte de la energ�a
utilizable que cae inevitablemente al recipiente t�rmico. En el caso de las
actividades en nuestro planeta el recipiente es el planeta mismo. Si el planeta
tierra no recibiese ni radiara energ�a al exterior toda la energ�a disponible
terminar�a en el recipiente t�rmico aumentando la temperatura que quedar�a
homog�nea, igual en todas partes, y luego ya nada cambiar�a, sin embargo todo
cuerpo a temperatura superior al cero absoluto irradia energ�a; en este caso,
de apagarse el sol, todo el calor de la tierra ser�a radiado al exterior hasta
quedarse a temperatura cero absoluto (0�K). Afortunadamente nuestro planeta
recibe energ�a del sol que antes de diluirse en el recipiente t�rmico da lugar
a la vida, a energ�a qu�mica y a energ�as de diferente tipo; vientos, olas en
el mar, etc. Y gracias al intelecto del hombre tambi�n en energ�a mec�nica y
energ�a el�ctrica. Cualquier cambio que se observa en el planeta proviene de
la energ�a del sol. (En realidad esto no es verdad, tambi�n hay energ�a
proveniente de los n�cleos radioactivos concausa de la energ�a geot�rmica,
(Energ�a proveniente del calor interno del planeta) y energ�a proveniente del
movimiento de rotaci�n terrestre, pero de ellas hablaremos mas adelante)
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Cualitativamente podemos decir que: Todas las part�culas constituyentes de los cuerpos a temperatura T , �tomos
y mol�culas, tienen una energ�a del orden de KT
en cada uno de sus grados de libertad. P.ej supongamos una mol�cula
de CO2 en una habitaci�n a temperatura T, la mol�cula tendr�
una energ�a cin�tica de traslaci�n del orden de 3KT, una por dimensi�n;
como la mol�cula puede vibrar tendr� una energ�a por cada modo normal
de vibraci�n tambi�n del orden de KT,
adem�s ella puede girar y tambi�n tendr� una energ�a cin�tica
de rotaci�n del orden de KT por cada modo de rotaci�n, adem�s si una
mol�cula tiene estados electr�nicos excitados del orden de energ�a KT
tambi�n podremos encontrar la mol�cula transitando entre el estado
fundamental (de menor energ�a) y esos estados excitados (estados de
energ�a mayor que la m�nima) . En caso que un grado de libertad tenga
el primer estado excitado, energ�a mayor que la m�nima, con energ�a
mayor que KT, entonces la energ�a media de ese grado de libertad puede
estar muy cercano al cero puesto que no hay energ�a suficiente en el
movimiento t�rmico de los otros grados de libertad para excitarlo. Todos los cuerpos emiten ondas electromagn�ticas, estas ondas electromagn�ticas
son emitidas en paquetes de energ�a
(fotones) que tienen, en promedio, una energ�a de KT,
igual a la energ�a media de las part�culas que constituyen el
cuerpo. En un sistema que no
recibe energ�a del exterior ni saca energ�a al exterior, al llegar al
equilibrio, todos los modos energ�ticos, y la radiaci�n electromagn�tica,
tienen en promedio una
energ�a del orden de KT. |
Los
motores de calor. El calor
puede transformarse parcialmente en otro tipo de energ�a, por ejemplo: veamos
la Fig. 11; disponemos de un contenedor con un pist�n m�vil conteniendo un gas
a temperatura del ambiente, la presi�n interior es la misma que la presi�n
atmosf�rica, si calentamos el contenedor, el gas se expandir� y el pist�n se
mover�, la fuerza que ejerce el pist�n se puede utilizar por ejemplo para
subir un cuerpo con masa y aumentar as� su energ�a potencial. Un motor de
calor puede en forma c�clica sacar calor del foco
y convertirlo en trabajo mec�nico, parte de la energ�a del foco caer�
inevitablemente al recipiente t�rmico.
La
cantidad de energ�a del foco caliente que puede convertirse en trabajo mec�nico
es solamente una fracci�n llamada eficiencia del motor, Carnot demostr� que
la eficiencia de un motor de calor no puede superar
donde
es la temperatura del foco caliente y
es la temperatura del recipiente t�rmico.
El
ciclo de la energ�a.-
Hemos
visto que para que exista vida en el planeta es necesario que haya continuamente
un flujo de energ�a de una forma a la otra, pero que, en todo proceso, parte de
esta energ�a pasa al recipiente t�rmico. Los procesos de transformaci�n
contin�an, hasta que toda haya pasado al recipiente,
luego, es lanzada al espacio por radiaci�n electromagn�tica; as�, es
necesario que recibamos constantemente energ�a de un suplidor, el Sol.
Recibimos del sol una energ�a con un alto grado de orden (ver comentario) que puede
transformarse antes de acabar en el recipiente t�rmico.
Veamos
algunas formas en que la energ�a muy ordenada proveniente del Sol se
transforma, antes de terminar por
perderse en el recipiente t�rmico, para luego salir del planeta por radiaci�n.
Adem�s de la transformaci�n directa, de la energ�a del Sol a calor del
recipiente t�rmico.
1.
-El Sol calienta parte del agua del planeta, evapor�ndola. Esta se diluye en la
atm�sfera y en contacto con el aire fr�o puede condensarse y precipitar otra
vez al suelo, la energ�a del sol convertida en energ�a potencial del agua
termina siendo energ�a cin�tica del agua antes de caer al suelo y luego se
convierte en energ�a del recipiente t�rmico; pero, si ha ca�do en las monta�as,
aun conserva algo de la energia potencial, esta energia puede, en una estacion
hidroel�ctrica, convertirse en energia electrica; al menos parte de esa energia
potencial; puesto que una parte se pierde en el roce de las turbinas, en las
corrientes parasitas de los generadores y en el calentamiento de los cables.
La corriente producida sera consumida por un aparato electrico: bombilla,
electrodomestico etc. Y la energ�a terminar� en el recipiente t�rmico.
2.-
El sol en su giro alrededor de la tierra produce temperaturas que difieren de un
lugar a otro produciendo diferencias de presi�n en la atm�sfera, esto ocasiona
que masas de aire se desplacen, es decir, se producen vientos que tienden
a homogenizar la temperatura (sin lograrlo) en todas partes del globo, estos
vientos en su recorrido ceden su
energ�a, por roce, al recipiente t�rmico.
3.- El diferente calentamiento de las aguas oce�nicas produce corrientes marinas, estas corrientes marinas disipan energ�a por roce.
4.- El sol cae sobre un panel solar, calienta agua que es consumida por uso sanitariose o para contribuir a la calefaccion. El sol cae sobre una celda fotovoltaica, produce energ�a el�ctrica, esta energ�a cuando es consumida por un aparato se vuelca al recipiente t�rmico.5.- por medio de las plantas el sol provee la energ�a necesaria para que se formen mol�culas org�nicas a partir de mol�culas de di�xido de Carbono (CO2) y agua; en un proceso llamado fotos�ntesis. Estas mol�culas org�nicas contienen una cantidad de energ�a qu�mica que los organismos vivientes pueden transformar hasta hacerla caer en el recipiente t�rmico. Las mol�culas al morir se descompones produci�ndose CO2. Parte de la materia organica puede descomponerse sin presencia de ox�geno formando los combustibles f�siles.
Consumo de Energ�a.
En lo que sigue
daremos solo cifras aproximadas puesto que estas dependen del a�o en
consideraci�n, debemos pues considerarlas correctas dentro de un rango de error
del 10%.
La
energ�a total que se consume en el mundo en un a�o supera los 400 cuatrillones
( 1015) Btu,
1 Btu = 252 calor�as internacionales = 1055.056 joules.
Solo los Estados Unidos consumen mas de 90 cuatrillones de Btu.
El
consumo total de energ�a equivale aproximadamente a una potencia de 1.3x1013 watt, Esto representa aproximadamente
una diezmil�sima parte de la energ�a que la tierra recibe del Sol.
El
consumo por persona fue en 1999 de 174,3 millones de Btu para Alemania, 341.8 en
Estados Unidos, 402.6 en Canad�, 270.3 en B�lgica.
El
consumo de energ�a per capita en 2002 fue para algunos pa�ses en millones de
Btu: Estados Unidos 338.4, Canada 410.8, Reino Unido 164, Francia 182, Jap�n
172.
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Fig. Consumo
de energ�a per capita por los principales pa�ses occidentales a�o 2001. |
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C�lculos en un a�o. Energ�a total consumida por la comunidad de naciones = 4
1017 Btu Energ�a entregada por el sol= 6.62 1017 watt x
3.15 107 s/a�o = 2,08 1025 joules = 1.97 1022 Btu Energ�a consumida por Persona para la vida 2.5 106
cal/dia x 365 dias/a�o = 9.12 108 cal = 3.61 106
Btu Energ�a producida por la madera de
un Km2 de bosque =1.7 T/ha=1.7
102 T = 1.7 x 4 x 1011 cal
= 6.74 1011 cal
= 2,67 109 Btu Energ�a consumida por persona en total por a�o aprox.
1.5 108 Btu Energ�a que podr�a producir la totalidad de la biomasa
1,5 1011T x 3 109 =4.5 1020 cal
& �252= 1.78 1018 Btu. Energ�a consumida por Italia aprox. 1.2 1016
Btu Energ�a que produce 1 Kg de Uranio 235 al fisionarse =
6x109 Btu (unas
5000 T de madera) En USA Energ�a consumida 9 1016 Btu Energ�a que consume USA para la industria del vidrio 2.50
1012 Btu Energ�a renovable consumo en USA 6% del total, de esta:
2.8 biomasa y algo comparable en hidroelectricidad. |
Aqu�
abajo presentamos un estudio comparativo de la energ�a consumida con algunas
fuentes de producci�n.
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Fig 1. l comparaci�n de la energ�a que se consume en un d�a con la
capacidad de producci�n de algunas fuentes. |
En la grafica observamos en la primera columna la cantidad de energ�a que
el mundo consume en un s�lo d�a. La hidroelectricidad contribuye en un
peque�o porcentaje, no mucho mayor al 3%, siendo este un porcentaje muy cercano
al de USA.
La segunda columna representa la cantidad de energ�a que la Tierra recibe
del Sol en apenas 10 seg, �sta energ�a sin embargo no es de f�cil utilizaci�n
para las actividades de la econom�a.
La tercera columna muestra la energ�a que producir�an 1000 Km2
de celdas solares en un a�o suponiendo
�ptimas condiciones. (Considere que un metro cuadrado bien soleado puede
producir unos 100 W).
La cuarta columna nos da la energ�a producida por 100.000 Kg de Uranio 235,
ni siquiera 3 veces la energ�a que se consume en un solo d�a.
La quinta columna nos representa la energ�a e�lica producida en el a�o 2002 en USA.
La sexta nos da la energ�a que se puede sacar de la producci�n de madera
de un a�o de un mill�n de Km2 de bosque.
La s�ptima, la energ�a que podr�a producir toda la biomasa producida en
un d�a por el planeta, es decir la biomasa producida en un a�o dividido por 365. Tomando en cuenta toda la biomasa la
producida en la Tierra y la producida en el mar. Hay que anotar que esta energ�a
no es f�cil de sacar para uso de la econom�a. Imaginemos como se les puede
sacar las 4000 calor�as a un Kg de pescado para producir electricidad.
En la octava, por �ltimo, la energ�a producida por un mill�n de barriles de petr�leo.
Tipos de energ�a que se consumen.
Aqui presentamos los porcentajes de consumo de los diferentes tipos de energ�a para dos pa�ses: USA e Italia. La dependencia en la energ�a producida por los f�siles es evidente, as� como el aporte minoritario de la energ�a nuclear a�n en un pa�s como los USA.
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La modalidad de consumo no depende mucho de pa�s a pa�s, veamos para Italia.
La energ�a electrica es la que se produce mayormente con fuentes renovables, veamos con que tipo de fuentes se produce la energ�a el�ctrica en el mundo y cuales son las expectativas para el futuro (Nadie puede predecir que va a pasar en el futuro, se nota una tendencia que promueve el uso del nuclear y, por otra parte, mayor participaci�n del carbon, sin olvidar la lucha de los ecologistas para que se usen mas las fuentes renovables). Note que la dependencia a la energ�a f�sil se piensa que va a seguir aumentando:
Trate
ahora Ud. de imaginar cuales ser�n las fuentes de energ�a una vez que se acaben
los f�siles (Carbon, gas y petrol�o).
