Energía

Mecánica. Transformaciones y formas energéticas. Fuentes renovables (eólica, biomasa, maremotriz, solar, hidráulica). Conservación

  • Enviado por: Victor Villegas
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ENERGÍA

Es tal vez el fuego es la manifestación más potente de la energía. De la importancia de su aparición en la vida humana dan cuenta multitud de vestigios arqueológicos, y las antiguas leyendas narran su procedencia divina y cómo el robo de una antorcha encendida, cometida por el héroe Promoteo, proporcionó al hombre el poder de dominar la naturaleza.

Cuando se piensa en grandes cantidades de energía, se recuerda la bomba de hidrógeno. Sin embargo, incluso la inmensa energía de la bomba es pequeña comparada con la energía del sol, de un huracán tropical o de las mareas. En un día, los Estados Unidos reciben tanta energía del Sol como la que darían más de un millar de bombas H.

La energía de los huracanes o de las mareas implica moviento. Y, qué hay con relación a la energía del Sol? Ciertamente, no se percibe movimiento cuando los rayos solares entibian nuestra piel o iluminan el paisaje. Pero es el calor del Sol el que mueve los vientos de un huracán. Es evidente que la energía puede aparecer en más de una forma.

Gran parte de la historia de la civilización puede escribirse en función del uso y dominio crecientes de la energía.

En el eclipse total de sol del día 29 de mayo de 1919 unos astrónomos ingleses, en Sobral, Brasil, comprobaron que un rayo de luz que se propaga desde una estrella lejana, a la Tierra, cuando pasa cerca del Sol, se desvía hacia él por su acción gravitatoria. Esto quiere decir que la luz tiene masa y, en consecuencia, todas las clases de energía tienen masa.

La energía es la capacidad que poseen los cuerpos y sistemas para realizar un trabajo. Esta propiedad se evidencia en formas diversas que pueden transformarse e interrelacionarse.

Un trabajo efectuado sobre un cuerpo o sistema de cuerpos supone un aumento de su energía. Así, el curvar un arco o someter a torsión un muelle, se almacena en ellos energía en forma elástica que se pone de manifiesto al lanzar la flecha o desenrollar el muelle. En este proceso se produce sólo cesión de energía entre los componentes del sistema, de modo que el balance global es nulo. Este fenómeno, conocido como principio de conservación de la energía no se crea ni se destruye, sufriendo únicamente transformaciones de unos estados a otros, y constituyó uno de los axiomas de la física hasta que fue superado tras la aparición de las teorías relativistas de Albert Einstein.

TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA.

A finales del siglo XVII, Isaac Newton sentó las bases de un nuevo concepto de la física e ideó la noción de fuerza como una magnitud que provocaba los movimientos de los cuerpos. Sin embargo, sus herederos ideológicos sustituyeron las fuerzas por la energía a ellas asociadas como causas primigenias de los hechos físicos. Según estos principios , los intercambios de energía entre los distintos sistemas son responsables de estos fenómenos y se manifiestan en diversas formas convertibles entre sí.

Un sistema ideal que no sufriera pérdidas constituiría un movil perpetuo, ya que su energía generaría un trabajo permanente. En la realidad, tales sistemas no existen, y las pérdidas energéticas se traducen en emisión de calor. Por ello se dice que el calor es la forma más degradada de la energía y no es recuperable para el sistema; en consecuencia, no resulta transformable.

El siglo XX presenció el nacimiento de una nueva teoría que obligó a modificar sustancialmente el concepto de energía y de sus relaciones de intercambio entre los cuerpos. La relatividad física, defendida por Einstein, observa la energía y la masa como diversas manifestaciones de un propiedad única, con lo que altera el tradicional principio de conservación. Así, la energía puede pasar a otros estados e incluso convertirse en masa, y a la inversa. Einstein, afirmó que toda clase de energía tiene masa determinada, y demostró que masa y energía son equivalentes; la propiedad llamada masa es, simplemente, energía concentrada. En otras palabras, materia es energía y energía es materia.

PRINCIPALES FORMAS DE ENERGIA

  • Energía Mecánica.

Por ejemplo, aquella que poseen los cuerpos en movimiento, o bien la interacción gravitatoria entre la Tierra y la Luna.

  • Energía Electromagnética.

Generada por campos electrostáticos, campos magnéticos o bien por corrientes eléctricas.

  • Energía Química.

Se origina por las reacciones químicas entre las sustancias; proporciona capacidad para efectuar un trabajo, por ejemplo: la dinamita, una batería de automóvil, una pila para radio, etcétera.

  • Energía Metabólica.

Es la generada por los organismos vivos gracias a procesos químicos de oxidación como producto de los alimentos que ingieren.

  • Energía calórifica.

Es la que se transmite entre dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. La proporciona el calor; por ejemplo, una parrilla eléctrica, el vapor para mover una locomotora, etcétera. El calor también tiene por efecto cambiar el estado de los cuerpos y, al aumentar su temperatura, los sólidos se vuelven líquidos (fusión) y los líquidos hierven (ebullición) y se evaporan. No hay que olvidar que la energía adopta sucesivamente varias formas antes de convertirse en calor, que es una forma degradada de energía.

  • Energía eléctrica.

Es la que se produce por el movimiento de electrones a través de un conductor. mueve máquinas, enciende lámparas, calentadores, motores, etcétera, es originada por un flujo de electrones a través de un conductor eléctrico. Se puede obtener energía eléctrica a través de cualquier otra forma de energía. Prácticamente se explota la energía hidráulica de saltos y ríos, o bien la energía térmica de la combustión de hidrocarburos; incluso la energía solar se aprovecha para suministrar electricidad a. ingenios espaciales. El único inconveniente que presenta la energía eléctrica es no tener un medio cómodo para almacenaría.

La energía cinética es la derivada del movimiento de las partículas materiales, mientras que la energía poseída por los cuerpos en virtud de sus posiciones o configuraciones se conoce como potencial. Un martillo, por ejemplo, utliza su energía cinética para vencer las fuerzas de rozamiento que se oponen a la penetración del clavo. Sin embargo, los saltos de agua transforman la diferencia de energía potencial, debida a las distintas alturas o distintas con respecto al centro de la Tierra, energía eléctrica.

Tradicionalmente, se diferencia la energía cinética de traslación, provocada por la velocidad lineal de un cuerpo, de la rotación de los sólidos en torno a un eje. Asimismo, la energía potencial puede ser de naturaleza gravitatoria, elástica, magnética, eléctrica, química, etc.

La comporación de todos estos tipos de energía se realiza a través del trabajo mecánico consumido en la producción de cada una de ellas. La física experimental ha demostrado que una cantidad dada de energía corresponde siempre al mismo trabajo, definido como su equivalente mecánico.

FUENTES DE ENERGÍA

En el ámbito de la física, se diferencia una ingente variedad de procesos capaces de generar energía en alguna de sus manifestaciones. Sin embargo, las fuentes clásicas de energía utilizadas por la industria han sido de origen térmico, químico o eléctrico, recíprocamente intercambiables entre sí y transformables en energía mecánica.

Las fuentes de energía se pueden clasificar en:

1.- Renovables.
2.- No Renovables.

  • Fuentes de Energía Renovables:

Las energías renovables son aquellas que llegan en forma contínua a la Tierra y que a escalas de tiempo real parecen ser inagotables.

Son fuentes de energía renovable:

Energía Hidráulica:

Es aquella energía obtenida principalmente de las corrientes de agua de los ríos. El agua de un río se almacena en grandes embalses artificiales que se ubican a gran altura respecto de un nivel de referencia. El agua adquiere una importante cantidad de energía potencial (aquella que poseen los cuerpos que se encuentran a cierta altura). Posteriormente, el agua se deja caer por medio de ductos, por lo tanto toda su energía potencial se forma en energía cinética (aquella que posee un cuerpo gracias a su estado de movimiento). La energía cinética de las caídas de agua se aprovecha, por ejemplo, para mover turbinas generadoras de electricidad, tal es el principio de las Centrales Hidroeléctricas.

Energía Solar:

Es la energía que llega a la Tierra proveniente de la estrella más cercana a nuestro planeta: El Sol. Esta energía abarca un amplio espectro de Radiación Electromagnética, donde la luz solar es la parte visible de tal espectro.

La energía solar es generada por la llamada Fusión Nuclear que es la fuente de vida de todas las estrellas del Universo.

Energía

El hombre puede transformar la energía solar en energía térmica o eléctrica. En el primer caso la energía solar es aprovechada para elevar la temperatura de un fluido, como por ejemplo el agua, y en el segundo caso la energía luminosa del sol transportada por sus fotones de luz, incide sobre la superficie de un material semiconductor (ej: el silicio), produciendo el movimiento de ciertos electrones que componen la estructura atómica del material. Un movimiento de electrones produce una corriente eléctrica que se puede utilizar como fuente de energía de componentes eléctricos o bien electrónicos. Es el caso del principio de funcionamiento de las calculadoras solares.

Energía Eólica

Energía

Esta energía es producida por los vientos generados en la atmósfera terrestre. Se puede transformar en energía eléctrica mediante el uso de turbinas eólicas que basan su funcionamiento en el giro de aspas movidas por los vientos. Bajo el mismo principio se puede utilizar como mecanismo de extracción de aguas subterráneas o de ciertos tipos de molinos para la agricultura.

Al igual que la energía solar se trata de un tipo de energía limpia, la cual sin embargo presenta dificultades, pues no existen en la naturaleza flujos de aire constantes en el tiempo, más bien son dispersos e intermitentes.

Este tipo de energía puede ser de gran utilidad en regiones aisladas, de difícil acceso, con necesidades de energía eléctrica, y cuyos vientos son apreciables en el transcurso del año.

Biomasa

Esta energía se obtiene de ciertos compuestos orgánicos que se han producido en el tiempo por procesos naturales, es decir, producto de transformaciones químicas y biológicas sobre algunas especies vegetales o bien sobre ciertos materiales. Un ejemplo de tal proceso lo constituyen los residuos forestales, los residuos de la agricultura y los residuos domésticos. Estos residuos se transforman con posterioridad en combustibles. En el caso de los residuos domésticos es necesario como paso previo a la obtención de energía, un plan amplio para la adecuada clasificación de las basuras y su posterior reciclaje.

Energía Mareomotriz

Energía

Es la energía obtenida del movimiento de las mareas y las olas del mar. El Movimiento de mareas es generado por la interacción gravitatoria entre la Tierra y la Luna. Tal movimiento se utiliza para traspasar energía cinética a generadores de electricidad.

La gran dificultad para la obtención de este tipo de energía es su alto costo y el establecimiento de un lugar apto geográficamente para confinar grandes masas de agua en recintos naturales.



Fuentes de Energía No Renovables

Son fuentes de energía no renovables aquellas que se encuentran en forma limitada en nuestro planeta y se agotan a medida que se les consume.

Son fuentes de energía no renovables :

El Carbón

Es un combustible fósil, formado por la acumulación de vegetales durante el Periodo Carbonífero de la era Primaria de nuestro planeta. Estos vegetales a lo largo del tiempo han sufrido el encierro en el subsuelo terrestre, experimentando cambios de presión y temperatura lo que ha posibilitado la acción de reacciones químicas que los han transformado en variados tipos de carbón mineral.

El Petróleo

Es un aceite natural de origen mineral constituido por una mezcla de hidrocarburos. Estos hidrocarburos se producen por antiguos restos de organismos vegetales, organismos acuáticos y organismos vivos depositados en las profundidades de la corteza terrestre en forma de sedimentos.

El Gas Natural

Es una mezcla de gases combustibles depositados en forma natural en el subsuelo de la Tierra y que poseen un gran poder calorífico. En ocasiones los yacimientos de gas natural se encuentran acompañados por yacimientos de petróleo.

El principal componente del gas natural es el metano y en menor proporción los gases de etano, propano y butano.

Energía Geotérmica

Energía contenida también en el interior de la Tierra en forma de gases. Al ser extraída se presenta en forma de gases de alta temperatura (fumarolas), en forma de vapor y agua hirviendo (geyser) y en forma de agua caliente (fuentes termales).

Energía Nuclear

La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el proceso de Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por Fusión Nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos). En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía, debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma directamente en energía. Lo anterior se puede explicar en base a la relación Masa-Energía, producto de la genialidad del gran físico Albert Einstein.

En relación a la liberación de energía, una reacción nuclear es un millar de veces más energética que una reacción química, por ejemplo, la generada por la combustión del combustible fósil del metano.

La energía nuclear, inmersa en una fuerte controversia por los peligros de su utilización militar y lo delicado de su mantenimiento, ha experimentado un fuerte avance en la segunda mitad del siglo XX. Fenómeno natural en la formación del universo, la magnitud de las energías desprendidas en el curso del proceso lo convierten en altamente nocivo para el organismo humano, por lo que es preciso mantener complejos sistemas de seguridad. Existen dos procedimientos fundamentales de obtención de energía nuclear: la fisión de elementos ligeros para dar átomos más complejos. La enorme cantidad de energía resultante procede de la transformación de parte de la masa, tal y como vaticinó Einstein en su teoría de la relatividad. Las centrales nucleares suelen tener un aprovechamiento eléctrico, aunque pueden ser empleadas también como fuentes térmicas.

La energía térmica o calorífica procede de la combustión de diversos materiales, y puede convertirse en mecánica a través de un serie de conocidos mecanismos: las máquinas de vapor y los motores de combustión interna aprovechan el choque de moléculas gaseosas sometidas a altas temperaturas para impulsar émbolos, pistones y cilindros; las turbinas de gas utilizan una mezcla de aire comprimido y combustible para mover sus álabes; y los motores de reacción se basan en la eyección brusca y a gran velocidad de los productos de la reacción por una tobera. El primitivo combustible, la madera, fue sustituido a lo largo de las sucesivas innovaciones industriales por el carbón, los derivados del petróleo y el gas natural. En determinadas regiones y períodos históricos se emplearon también desechos agrícolas para tal fin.

Ciertas reacciones químicas desprenden energía aprovechable como resultado de sus interacciones moleculares. Aparte de las reacciones de combustión, en las que las sustancias se queman al entrar en contacto con el oxígeno y cuyo ámbito puede encuadrarse dentro de las fuentes térmicas, la energía que interviene en ciertos procesos en disoluciones ácidas y básicas o sales puede recogerse en forma de corriente eléctrica. Puede asimismo verificarse el proceso inverso. En ello radica el fundamento de las pilas y los acumuladores.

La energía eléctrica, por su parte, se produce principalmente a partir de transformaciones de otras formas de energía, como la hidráulica, la térmica y la nuclear. El movimiento del agua o el empuje del vapor accionan las turbinas que ponen en funcionamiento el rotor de dinamos o alternadores para producir la corriente eléctrica. Este tipo de energía presenta como principales ventajas su fácil transporte y su bajo precio, y constituye quizá la forma más extendida en el uso cotidiano. Los motores eléctricos son los principales dispositivos de conversión de esta energía en su manifestación mecánica.

Las crisis energéticas ocurridas a lo largo de la segunda mitad del siglo XX supusieron nuevos planteamientos de búsqueda de energías. Así, se han registrado dos tendencias aparentemente opuestas: los proyectos e inversiones destinados a dominar los procesos de reacción nuclear y los sistemas de aprovechamiento de energías naturales no contaminantes, entre las que destacan la hidráulica, la solar, la eólica y la geotérmica. Como resultado de estas nuevas preocupaciones se ha alcanzado un mayor índice de aprovechamiento de los recursos terrestres y marítimos de determinadas regiones del planeta.

La energía hidráulica, aprovechada desde hace mucho tiempo, ofrece amplias posibilidades fluviales y marítimas. Las cascadas, los saltos de agua y la enorme fuerza de las mareas constituyen claras muestras de potenciales de fuente de energía. Así, mientras las presas y pantanos han servido para almacenar agua y energía transformable fácilmente en eléctrica, las mareas no han encontrado, dada la complejidad de su mecanismo, soluciones eficaces a su aprovechamiento.

Los molinos y los barcos de vela sirvieron con profusión a lo largo de la historia de uno de los tipos primarios de energía, la eólica, producida por el viento. Esta manifestación energética, directamente cinética al ser provocada por el movimiento del aire, posee un grado de rendimiento bajo y es de utilización insegura y no uniforme, aunque de escaso costo.

La energía solar representa el modelo más característico de fuente renovable. A pesar de sus recursos prácticamente ilimitados, al tomarse directamente de la radiación solar, el aprovechamiento energético no alcanza rendimientos equiparables a los de otras fuentes.

El procedimiento de recogida de esta energía en cuerpos situados detrás de cristales recibe el nombre de captación por efecto invernadero y tiene como finalidad última la producción de energía calorífica. Este mecanismo es de importante utilidad en la calefacción doméstica. Otros dispositivos permiten transformar la energía solar en eléctrica. Las fuentes termales naturales y las fuerzas telúricas generadas en el interior de la corteza terrestre constituyen formas energéticas de díficil aprehensión. La investigación científica sobre la utilidad de tales fenómenos en la industria se halla aún en un período de iniaciación.

Ley de la conservación de la energía.

La energía no puede ser creada ni destruida, pero puede ser transformada de una forma en otra.

Esta misma ley puede ser aplicada a la materia, puesto que ésta puede ser convertida en energía.

Cuando un rápido automóvil choca contra una pared de ladrillos, el vehículo termina en reposo y también, al fin, los ladrillos de la pared. La energía mecánica del automóvil se ha convertido en energía térmica, de modo que el metal del auto, el caucho de las llantas, el suelo y los ladrillos de la pared, están ahora un poco más calientes que antes.

Al tocar un clavo que se ha estado martillando, se demuestra que la energía mecánica se ha transformado en energía térmica. En la mayoría de los casos, donde parece que ha desaparecido energía, se puede encontrar que la energía perdida se ha convertido en calor y, ese calor es otra forma de la energía, por lo tanto, la energía se conserva.

La degradación de la energía

La experiencia demuestra que conforme la energía es utilizada para promover cambios en la materia pierde 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 menor. 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.

BIBLIOGRAFÍA

Enciclopedia Hispánica. EUA. Britannica. 1994.

Peña Cortés, Desiderio. “Física Básica”. México. Trillas. 1975.

Stollberg, Robert y Faith Fitch Hill. “Física. Fundamentos y fronteras”. México. Publicaciones Cultural. 1968.

Cadenas de transformación de energía.

La energía térmica o calorífica que evapora el agua del océano se convierte en energía mecánica potencial del agua de la nube. Al caer la lluvia, esta energía potencial se transforma en energía mecánica cinética. Esta lluvia formará los ríos que tendrán energía mecánica potencial, la corriente de estos mismos por medio de un generador eléctrico cambiarán la energía mecánica potencial en energía eléctrica. Esta energía puede ser usada para cargar una batería transformandose en energía potencial. La pila si se le aplica una energía externa o si se acciona un interrumptor la energía almacenada en la pila se transformará de nueva cuenta en energía eléctrica; esta energía a su vez por medio de una lámpara se transforma en energía luminosa y calorífica. La energía luminosa de la lámpara puede evaporar agua y esta tendrá energía potencial.

Así de esta forma se repite la cadena aquí presentada.

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