La Energía. El Génesis.-
La energía es una
cantidad que mide la capacidad de cambio o de movimiento; sin energía todo
estaría quieto y sin vida. Son muchas las formas que puede tener la energía.
Cuando un cuerpo se mueve a velocidad v, tiene una energía debida al movimiento
llamada energía cinética 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
energía es la energía debida a la posición, por ejemplo un cuerpo con masa M
situado a una cierta altura del suelo posee una capacidad para adquirir una
velocidad, simplemente cayendo, la energía potencial se mide por esa capacidad
de adquirir esta velocidad, la
energía potencial es igual a la energía cinética que adquiere la masa al
caer. Cerca de la superficie terrestre esta energía se puede calcular por la
formula E=Mgh, donde g es la aceleración de gravedad y h
la altura a la cual se encuentra. También existe una energía eléctrica, si
dos cuerpos cargados con cargas eléctricas de diferente signo están situados
lejos uno del otro, y se sueltan, estos se aceleraran mutuamente debido a la
atracción eléctrica y adquirirán una energía cinética igual a la diferencia
de energía potencial entre el punto de partida y el punto de llegada. Pero la
forma mas común de energía es le calor, todo cuerpo a temperatura mayor al
cero absoluto posee sus elementos constitutivos (átomos, moléculas) en
movimiento: vibración y/o rotación y/o traslación, este movimiento del
conjunto de todos estos elementos es una energía que se manifiesta
como calor. Así dos cuerpos a diferentes temperaturas tendrán átomos
que poseen diferentes energías cinéticas medias, cuando se ponen en contacto
los átomos de mayor energía cinética transmitirán por medio de colisiones su
energía a los átomos con menor energía cinética hasta que las energías
medias de los dos cuerpos se igualen, en ese entonces los dos cuerpos estarán
en equilibrio térmico.
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El
calor contenido en un cuerpo es la suma de todas las energías cinética
de todos los cuerpos constitutivos, la temperatura indica una media de las
energías de todos los cuerpos constituyentes. Fig
a. alta temperatura, alta velocidad. Fig
b. Baja temperatura, velocidad baja. |
Otra
forma muy importante para nuestros propósitos es la energía química, un
ejemplo puede ilustrar este tipo de energía: si tenemos una mezcla de metano
(CH4) y oxigeno (O2) y acercamos un fósforo se producirá
una reacción química, y al final tendremos dióxido de carbono (CO2)
y agua (H2O), además obtendremos una cantidad de calor, si esta
reacción se produce en un cilindro cerrado el calor aumentara la presión de
tal manera que el cilindro puede explotar o si se aprovecha adecuadamente puede
mover el pistón de un motor; se transformara así de energía química en energía
mecánica.
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CH4 + 2O2 ® 2 H2O + CO2 + 891 KJ |
Este
tipo de energía sòlo puede ponerse de manifiesto si los átomos que forman los
compuestos de partida consiguen una configuración diferente con menor energía
química; Otra forma de energía es la excitación electrónica, en un átomo o
una molécula uno o varios de los electrones puede ocupar una orbita que no es
la de mínima energía, por lo tanto puede ceder esta energía adoptando una
όrbita de menor energía. Otra forma de energía lo constituyen las ondas
electromagnéticas en particular la luz.
Por
ultimo mencionaremos la característica mas importante de la energía: la energía
se conserva, puede cambiar de forma pero no podrá ni disminuir ni aumentar[1].
¿Pero
si la energía no se consume, porque hay una crisis energética?
[1]
En realidad esto no es
asi; Einstein demostró que en realidad la masa se puede convertir en energía
y la energía en masa, pero para nuestro propósito esto puede ser ignorado.
El segundo principio de la
termodinámica.- la equipartición. La energía
permite el cambio, este cambio se produce porque la energía cambia de forma, así
cuando un cuerpo cae transforma su energía potencial en cinética, al llegar al
suelo el cuerpo golpea contra el suelo y la energía cinética se transforma en
calor, la cantidad de calor es
igual a la energía potencial que tenia antes de moverse, y es igual a la
energía cinética al terminar el trayecto antes de golpear el suelo. (La
transformación, energía cinética en calor, que pasa inadvertida, se puede
poner en evidencia golpeando un martillo sobre un metal, entonces se advertirá
que el metal se calienta)
Supongamos
que ponemos en movimiento un auto, en este caso utilizamos la energía química
de la gasolina, parte de la energía química se pierde en calor pero una parte
se transforma en energía mecánica que se utiliza para acelerar el carro
transformando así la energía química en energía cinética; al frenar el
carro toda la energía cinética se transforma en calor, así al final toda la
energía química se encuentra convertida en calor del recipiente térmico en
esta caso la atmósfera.
La
segunda ley de la termodinámica nos dice precisamente que la energía al caer
en el recipiente térmico no puede ser mas transformada a menos de poseer un
recipiente a menor temperatura, y que todos los procesos en los que interviene
energía necesariamente terminarán mandando la energía al recipiente térmico.
Si queremos sacar energía de una fuente de calor esta fuente tiene que estar a
mayor temperatura que el recipiente térmico, al pasar el calor de la fuente a
mayor temperatura a la de temperatura mas baja (recipiente térmico en este
caso) podemos transformar sólo parte de esta energía en energía mecánica. En
todo proceso de cambio, movimiento o transformación, hay una parte de la energía
utilizable que cae inevitablemente al recipiente térmico. En el caso de las
actividades en nuestro planeta el recipiente es el planeta mismo. Si el planeta
tierra no recibiese ni radiara energía al exterior toda la energía disponible
terminaría en el recipiente térmico aumentando la temperatura que quedaría
homogénea, igual en todas partes, y luego ya nada cambiaría, sin embargo todo
cuerpo a temperatura superior al cero absoluto irradia energía; en este caso,
de apagarse el sol, todo el calor de la tierra sería radiado al exterior hasta
quedarse a temperatura cero absoluto (0°K). Afortunadamente nuestro planeta
recibe energía del sol que antes de diluirse en el recipiente térmico da lugar
a la vida, a energía química y a energías de diferente tipo; vientos, olas en
el mar, etc. Y gracias al intelecto del hombre también en energía mecánica y
energía eléctrica. Cualquier cambio que se observa en el planeta proviene de
la energía del sol. (En realidad esto no es verdad, también hay energía
proveniente de los núcleos radioactivos concausa de la energía geotérmica,
(Energía proveniente del calor interno del planeta) y energía proveniente del
movimiento de rotación terrestre, pero de ellas hablaremos mas adelante)
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Cualitativamente podemos decir que: Todas las partículas constituyentes de los cuerpos a temperatura T , átomos
y moléculas, tienen una energía del orden de KT
en cada uno de sus grados de libertad. P.ej supongamos una molécula
de CO2 en una habitación a temperatura T, la molécula tendrá
una energía cinética de traslación del orden de 3KT, una por dimensión;
como la molécula puede vibrar tendrá una energía por cada modo normal
de vibración también del orden de KT,
además ella puede girar y también tendrá una energía cinética
de rotación del orden de KT por cada modo de rotación, además si una
molécula tiene estados electrónicos excitados del orden de energía KT
también podremos encontrar la molécula transitando entre el estado
fundamental (de menor energía) y esos estados excitados (estados de
energía mayor que la mínima) . En caso que un grado de libertad tenga
el primer estado excitado, energía mayor que la mínima, con energía
mayor que KT, entonces la energía media de ese grado de libertad puede
estar muy cercano al cero puesto que no hay energía suficiente en el
movimiento térmico de los otros grados de libertad para excitarlo. Todos los cuerpos emiten ondas electromagnéticas, estas ondas electromagnéticas
son emitidas en paquetes de energía
(fotones) que tienen, en promedio, una energía de KT,
igual a la energía media de las partículas que constituyen el
cuerpo. En un sistema que no
recibe energía del exterior ni saca energía al exterior, al llegar al
equilibrio, todos los modos energéticos, y la radiación electromagnética,
tienen en promedio una
energía del orden de KT. |
Los
motores de calor. El calor
puede transformarse parcialmente en otro tipo de energía, por ejemplo: veamos
la Fig. 11; disponemos de un contenedor con un pistón móvil conteniendo un gas
a temperatura del ambiente, la presión interior es la misma que la presión
atmosférica, si calentamos el contenedor, el gas se expandirá y el pistón se
moverá, la fuerza que ejerce el pistón se puede utilizar por ejemplo para
subir un cuerpo con masa y aumentar así su energía potencial. Un motor de
calor puede en forma cíclica sacar calor del foco
y convertirlo en trabajo mecánico, parte de la energía del foco caerá
inevitablemente al recipiente térmico.
La
cantidad de energía del foco caliente que puede convertirse en trabajo mecánico
es solamente una fracción llamada eficiencia del motor, Carnot demostró que
la eficiencia de un motor de calor no puede superar
donde
es la temperatura del foco caliente y
es la temperatura del recipiente térmico.
El
ciclo de la energía.-
Hemos
visto que para que exista vida en el planeta es necesario que haya continuamente
un flujo de energía de una forma a la otra, pero que, en todo proceso, parte de
esta energía pasa al recipiente térmico. Los procesos de transformación
continúan, hasta que toda haya pasado al recipiente,
luego, es lanzada al espacio por radiación electromagnética; así, es
necesario que recibamos constantemente energía de un suplidor, el Sol.
Recibimos del sol una energía con un alto grado de orden (ver comentario) que puede
transformarse antes de acabar en el recipiente térmico.
Veamos
algunas formas en que la energía muy ordenada proveniente del Sol se
transforma, antes de terminar por
perderse en el recipiente térmico, para luego salir del planeta por radiación.
Además de la transformación directa, de la energía del Sol a calor del
recipiente térmico.
1.
-El Sol calienta parte del agua del planeta, evaporándola. Esta se diluye en la
atmósfera y en contacto con el aire frío puede condensarse y precipitar otra
vez al suelo, la energía del sol convertida en energía potencial del agua
termina siendo energía cinética del agua antes de caer al suelo y luego se
convierte en energía del recipiente térmico; pero, si ha caído en las montañas,
aun conserva algo de la energia potencial, esta energia puede, en una estacion
hidroeléctrica, 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 energía terminará en el recipiente térmico.
2.-
El sol en su giro alrededor de la tierra produce temperaturas que difieren de un
lugar a otro produciendo diferencias de presión en la atmósfera, 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
energía, por roce, al recipiente térmico.
3.- El diferente calentamiento de las aguas oceánicas produce corrientes marinas, estas corrientes marinas disipan energía 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 energía eléctrica, esta energía cuando es consumida por un aparato se vuelca al recipiente térmico.5.- por medio de las plantas el sol provee la energía necesaria para que se formen moléculas orgánicas a partir de moléculas de dióxido de Carbono (CO2) y agua; en un proceso llamado fotosíntesis. Estas moléculas orgánicas contienen una cantidad de energía química que los organismos vivientes pueden transformar hasta hacerla caer en el recipiente térmico. Las moléculas al morir se descompones produciéndose CO2. Parte de la materia organica puede descomponerse sin presencia de oxígeno formando los combustibles fósiles.
Consumo de Energía.
En lo que sigue
daremos solo cifras aproximadas puesto que estas dependen del año en
consideración, debemos pues considerarlas correctas dentro de un rango de error
del 10%.
La
energía total que se consume en el mundo en un año supera los 400 cuatrillones
( 1015) Btu,
1 Btu = 252 calorías internacionales = 1055.056 joules.
Solo los Estados Unidos consumen mas de 90 cuatrillones de Btu.
El
consumo total de energía equivale aproximadamente a una potencia de 1.3x1013 watt, Esto representa aproximadamente
una diezmilésima parte de la energía 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 Canadá, 270.3 en Bélgica.
El
consumo de energía per capita en 2002 fue para algunos países en millones de
Btu: Estados Unidos 338.4, Canada 410.8, Reino Unido 164, Francia 182, Japón
172.
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Fig. Consumo
de energía per capita por los principales paìses occidentales año 2001. |
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Cálculos en un año. Energía total consumida por la comunidad de naciones = 4
1017 Btu Energía entregada por el sol= 6.62 1017 watt x
3.15 107 s/año = 2,08 1025 joules = 1.97 1022 Btu Energía consumida por Persona para la vida 2.5 106
cal/dia x 365 dias/año = 9.12 108 cal = 3.61 106
Btu Energía 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 Energía consumida por persona en total por año aprox.
1.5 108 Btu Energía que podría producir la totalidad de la biomasa
1,5 1011T x 3 109 =4.5 1020 cal
& ¸252= 1.78 1018 Btu. Energía consumida por Italia aprox. 1.2 1016
Btu Energía que produce 1 Kg de Uranio 235 al fisionarse =
6x109 Btu (unas
5000 T de madera) En USA Energía consumida 9 1016 Btu Energía que consume USA para la industria del vidrio 2.50
1012 Btu Energía renovable consumo en USA 6% del total, de esta:
2.8 biomasa y algo comparable en hidroelectricidad. |
Aquí
abajo presentamos un estudio comparativo de la energía consumida con algunas
fuentes de producción.
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Fig 1. l comparaciòn de la energìa que se consume en un dìa con la
capacidad de producciòn de algunas fuentes. |
En la grafica observamos en la primera columna la cantidad de energía que
el mundo consume en un sòlo día. La hidroelectricidad contribuye en un
pequeño porcentaje, no mucho mayor al 3%, siendo este un porcentaje muy cercano
al de USA.
La segunda columna representa la cantidad de energía que la Tierra recibe
del Sol en apenas 10 seg, ésta energía sin embargo no es de fácil utilización
para las actividades de la economía.
La tercera columna muestra la energía que producirían 1000 Km2
de celdas solares en un año suponiendo
óptimas condiciones. (Considere que un metro cuadrado bien soleado puede
producir unos 100 W).
La cuarta columna nos da la energía producida por 100.000 Kg de Uranio 235,
ni siquiera 3 veces la energía que se consume en un solo día.
La quinta columna nos representa la energía eólica producida en el año 2002 en USA.
La sexta nos da la energía que se puede sacar de la producción de madera
de un año de un millón de Km2 de bosque.
La séptima, la energía que podría producir toda la biomasa producida en
un día por el planeta, es decir la biomasa producida en un año 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 energía
no es fácil de sacar para uso de la economía. Imaginemos como se les puede
sacar las 4000 calorías a un Kg de pescado para producir electricidad.
En la octava, por último, la energía producida por un millón de barriles de petróleo.
Tipos de energìa que se consumen.
Aqui presentamos los porcentajes de consumo de los diferentes tipos de energìa para dos paìses: USA e Italia. La dependencia en la energìa producida por los fòsiles es evidente, asì como el aporte minoritario de la energìa nuclear aùn en un paìs como los USA.
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La modalidad de consumo no depende mucho de paìs a paìs, veamos para Italia.
La energìa electrica es la que se produce mayormente con fuentes renovables, veamos con que tipo de fuentes se produce la energìa eléctrica 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 participaciòn del carbon, sin olvidar la lucha de los ecologistas para que se usen mas las fuentes renovables). Note que la dependencia a la energìa fòsil se piensa que va a seguir aumentando:
Trate
ahora Ud. de imaginar cuales seràn las fuentes de energìa una vez que se acaben
los fòsiles (Carbon, gas y petroléo).
