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La energía
1. Conceptos físicos
sobre la energía.
1.1. Definición.
En Física se define la energía como la capacidad
para realizar un trabajo.
Cuando un sistema realiza un trabajo sobre otro, se transfiere
energía entre los dos sistemas.
Se puede decir que la energía se manifiesta en la realización
de un trabajo. Un buen ejemplo de ello es el trabajo aplicado
sobre una cierta masa. Si la elevamos, aplicamos una fuerza
durante cierta distancia. El trabajo realizado queda almacenado
en forma de energía potencial en virtud de la posición
en que se encuentra la masa dentro del campo gravitatorio
terrestre. Si se la suelta, la masa cae devolviendo la energía
almacenada.
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1.2. Las formas de la energía.
Se clasifican en dos grandes grupos las formas en que se
puede presentar la energía:
- Energía externa o macroscópica.
- Energía interna o microscópica.
La energía macroscópica puede ser debida a
dos causas:
- La masa y la velocidad de un determinado cuerpo, que
origina la denominada energía cinética.
- Su posición dentro de un sistema de referencia,
que da lugar a la energía potencial.
La energía cinética es debida al movimiento
y para un objeto de masa m que se desplace en línea
recta a una velocidad constante v se calcula de acuerdo a
la siguiente fórmula:
E cinética = 1/2 mv2
Un ejemplo ilustrará el concepto de energía
potencial. El planeta Tierra genera un campo gravitatorio
que atrae a todos los cuerpos. Éstos poseen una energía
potencial en función de su posición relativa
respecto de la superficie terrestre, que se calcula de acuerdo
con la siguiente fórmula: E potencial = mgh, siendo
m la masa del cuerpo, g la aceleración de la gravedad
y h, su posición relativa respecto de la superficie
terrestre.
La suma de ambas energías, cinética y potencial
se denomina energía mecánica:
Energía mecánica = Energía cinética
+ Energía potencial
La energía interna o microscópica radica en
la estructura de la materia, en las moléculas, los
átomos y las partículas que la forman.
Según la forma o el sistema físico en que se
manifieste se consideran distintas formas de energía:
- Energía mecánica, asociada al movimiento
de una masa (cinética) o debida a que sobre dicha
masa actúa una fuerza dependiente de la posición
(potencial).
- Energía eléctrica, asociada al flujo de
cargas eléctricas o a su acumulación.
- Energía electromagnética, transportada por
las ondas electromagnéticas, y que puede interpretarse
como la energía que transporta el fotón, la
partícula asociada a las ondas electromagnéticas.
- Energía térmica, que se puede entender como
la energía cinética interna de las partículas,
átomos y moléculas que forman un cuerpo. Se
mide mediante la temperatura. El calor es la energía
que se transfiere de un cuerpo a otro en función
de sus diferentes temperaturas.
- Energía química, almacenada en los enlaces
entre los átomos que forman las diversas moléculas.
- Energía nuclear, que radica en el interior de los
núcleos atómicos.
- Por último, la energía másica está
contenida en toda masa en virtud de su propia existencia.
Einstein estableció en 1905 la fórmula: E
= mc2 , que determina la cantidad de energía que
queda libre al desaparecer una cantidad de masa m y en la
que la constante c es igual a 300.000 km/s, que es la velocidad
de la luz en el vacío.
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1.3. Las leyes de la Termodinámica.
Hemos visto que la energía puede transformarse de
una forma a otra, de múltiples modos. La energía
potencial acumulada se transforma en energía cinética
y viceversa. La energía química del combustible
se transforma, en un motor de explosión, en energía
térmica y luego en energía mecánica.
La energía eléctrica se acumula en forma de
energía química en una batería, mientras
que la energía eléctrica puede convertirse en
energía mecánica en un motor eléctrico,
por poner sólo algunos ejemplos.
Todas estas conversiones de la energía vienen determinadas
por dos leyes conocidas como Principios de la Termodinámica,
que las limitan y que enunciadas de forma sencilla son:
- 1ª Ley de la Termodinámica: la energía
ni se crea ni se destruye, sólo puede transformarse
de una de sus formas en otra. En otras palabras la energía
total del Universo es constante. Se conoce también
como Ley de Conservación de la Energía.
- 2ª Ley de la Termodinámica: la energía
se degrada continuamente en energía térmica.
Dicho de otro modo en cualquier conversión de energía
nunca se puede obtener el 100% de eficacia, puesto que una
parte se degrada indefectiblemente y se pierde en forma
de calor.
Ambas leyes tienen consecuencias fundamentales sobre las
transformaciones de la energía. En primer lugar la
Ley de Conservación de la Energía nos dice que
no puede obtenerse algo por nada; la cantidad de energía
obtenida en un proceso no puede ser superior a la invertida.
Nunca podemos diseñar y fabricar ningún ingenio
humano que produzca más energía de la que consume.
Por otro lado la 2ª Ley de la Termodinámica,
nos indica que la calidad de la energía tiende siempre
hacia una forma menos útil, lo que equivale a que el
desorden en el Universo, tiende a crecer. Este desorden se
asocia con un término físico denominado entropía.
Esta tendencia al aumento de la entropía se manifiesta
en que sin entradas de energía exteriores, los sistemas
tienden hacia un mayor desorden. Por ejemplo, las creaciones
humanas sin un adecuado mantenimiento tienden de forma natural
a disgregarse y desaparecer y no al revés, a autoregenerarse.
Otra forma de verlo es que todos los sistemas tienden espontáneamente
hacia la menor energía potencial, lo que implica abandonar
calor hacia el exterior. Así, el agua siempre tiende
a fluir ladera abajo, de forma natural.
Resumiendo las leyes de la Termodinámica nos dicen
que es imposible obtener más energía de la que
hemos invertido en un cierto proceso, e incluso que la cantidad
de energía obtenida es siempre menor que la invertida
porque indefectiblemente, una parte se degradará en
forma de calor. Es posible que alcancemos mayores rendimientos
en la conversión pero nunca podrán ser del 100%.
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1.4. Unidades de medida.
El Sistema Internacional de unidades,
utiliza el julio (J) como unidad de medida, que es la energía
producida por la fuerza de un newton al desplazar su punto
de aplicación un metro en su misma dirección
y sentido. En muchos campos se usa tradicionalmente la caloría
(cal) como unidad de energía, que se define como la
cantidad de energía que hay que comunicar a un gramo
de agua pura para que su temperatura pase de 14,5º C a
15,5º C a la presión constante de 1 atmósfera.
1 cal = 4,18398 J
La unidad de potencia en el SI. es el watio, y es la potencia
generada o consumida por cualquier máquina que consuma
o produzca un julio cada segundo.
Por último en el comercio internacional y en las estadísticas
se utilizan otras medidas:
Tonelada equivalente de petróleo (tep). Es la cantidad
de energía liberada al quemar una tonelada de petróleo.
1 tep = 42 GJ.
Tonelada equivalente de carbón (tec). Igual que la
anterior. 1 tec = 28 GJ.
Barril equivalente de petróleo (bep). Energía
liberada en la combustión de un barril de petróleo.
1 bep = 5,730 MJ.
Para saber más. (P?ina
web del Dep. de Ingeniería el?trica y electr?ica de la UNED
sobre unidades y su conversi?)
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2. La energía en
los ecosistemas naturales.
Por muy sofisticada y artificial que haya llegado a ser la
vida de las sociedades humanas su base se halla sostenida
por los ecosistemas naturales. Nuestras existencias están
situadas en el vértice de la pirámide ecológica,
en cuya base está la energía del sol, que es
fijada por las plantas y pasa después por diversos
animales, para llegar al final de la cadena a nosotros.
Un ecosistema puede definirse como un conjunto de varias
especies de plantas, animales y microbios interactuando entre
sí y con su medio ambiente. En realidad se trata de
una porción de la Naturaleza aislada para su estudio
Es posible considerar un ecosistema como un complejo sistema
termodinámico que está abierto a su medio ambiente.
Necesita energía y materiales que toma del medio y
a su vez devuelve en otras formas al mismo.
En la base se encuentra la energía proveniente del
Sol, que es captada por las plantas verdes (organismos autótrofos),
que usan la energía de la luz en el proceso de la fotosíntesis,
para fabricar hidratos de carbono (glucosa) a partir del dióxido
de carbono y el agua, generando oxígeno en el proceso:
Energía solar
|
V
6 CO2 + 6 H2O
-----> C6H12O6
+ 6 O2
La energía de la radiación electromagnética
(luz) es absorbida por la clorofila y almacenada en forma
de energía química en los enlaces de las moléculas
de glucosa.
La glucosa producida en la fotosíntesis juega tres
papeles en la planta:
a) Junto con el nitrógeno, el fósforo, el azufre
y otros nutrientes minerales absorbidos del suelo y el agua
se utiliza para generar proteínas, hidratos de carbono,
etc. que constituyen el organismo de la planta.
b) La síntesis de estas moléculas y la absorción
de los nutrientes implica un consumo de energía que
se obtiene mediante la respiración celular:
C6H12O6
+ 6 O2 -----> 6 CO2
+ 6 H2O
|
V
Energía
c) Finalmente una porción de la glucosa se almacena
en la planta para necesidades futuras, en forma de almidón
(hidratos de carbono) y aceites (lípidos).
En un estrato superior de la pirámide se encuentran
los organismos que se han de alimentar de otros porque no
son capaces de fijar la energía por sí mismos
como hacen los autótrofos, son los denominados heterótrofos.
En un primer lugar debemos considerar los organismos que se
alimentan exclusivamente de vegetales (fitófagos).
Por encima de ellos se encuentran los organismos que se alimentan
de otros animales (carnívoros). Existen también
algunos organismos como los humanos que pueden alimentarse
de ambos simultáneamente. En un tercer lugar se hallan
los organismos que se alimentan de deshechos, materia muerta
y cadáveres (detritívoros) y que en sus formas
más pequeñas, bacterias y hongos, causan la
desaparición de la materia orgánica y liberan
sus componentes en el medio ambiente, por lo que reciben el
apelativo de mineralizadores.
Podemos observar como en cada nivel, los organismos viven
y se desarrollan tomando la energía y los materiales
que precisan para su desarrollo de otros organismos de un
nivel inferior. En el proceso cada organismo absorbe una gran
cantidad de energía, pero almacena una cantidad relativamente
pequeña en las cadenas de sus moléculas. Como
ya vimos antes, de acuerdo con el 2a Ley de la Termodinámica,
como resultado de su metabolismo, han de ceder, gran cantidad
de energía degrada al medio en forma de calor proveniente
de la respiración celular. De este modo el ecosistema
se ve atravesado por un flujo constante de energía.
Dos conceptos importantes que hay que manejar son la biomasa
y la productividad. La primera se define como la masa de los
organismos vivos expresada en masa de materia seca o como
el equivalente energético por unidad de superficie
(toneladas / hectárea o kilocalorías / m2).
La productividad es la cantidad de materia viva elaborada
en un periodo dado por una biomasa.
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3. Bibliografía
222 cuestiones sobre la energía. [Miguel Barrachina López, et al...]. Madrid: Fórum de la Industria Nuclear Española, 2001. Disponible en web, en versión resumida: http://www.foronuclear.org/faqs.jsp
DELÉAGE, Jean Paul. La energía: tema interdisciplinar
para la educación ambiental. Madrid: MOPT, 1990. 209
p. ISBN 84-7433-679-1
NEBEL, Bernard J.; WRIGHT, Richard T. Envionmental science: the way the world works. London: Prentice-Hall International,
1996. XXI, 698 p. ISBN 0-1339-8124-X
TIPLER, Paul A. Física para la ciencia y la tecnología.
4ª ed. Barcelona: Reverté, 2003. 2 v. ISBN 84-291-4384-X
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Última actualización:
31/03/16
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