La energía

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Es capaz de transformarse de una forma a otra pero no se crea ni se pierde. La podemos percibir porque a nuestro alrededor puede generar infinidad de cambios. No es algo material, es la capacidad de modificar el entorno. La principal fuente de energía con posibilidad de renovación que dispone la Tierra, es el Sol, aunque solo una mínima parte de radiación solar nos llega a la Tierra. Aquí te contamos qué es, dónde se encuentra, cómo se transforma, cuál es su importancia y mucho más.

Se la encuentra en todos lados y si observamos a nuestro alrededor podemos ver que un auto se desplaza gracias al combustible que le provee energía para funcionar, el Sol nos entrega energía en forma de luz y de calor, nosotros ingerimos alimentos que tienen energía almacenada y gracias a esa energía podemos realizar nuestras actividades, etc. Por tanto, nos servimos de ella para poner cosas en movimiento, para cambiar temperaturas y para producir luz y sonido. Entonces, qué es: es la capacidad de producir cambios en los sistemas.

En el ámbito de la física, debe suministrarse energía para realizar trabajo. Como vemos, la palabra trabajo está íntimamente relacionada con la energía. Por lo tanto, también podemos definir a la energía como la capacidad que tiene un cuerpo o sistema de cuerpos para realizar un trabajo. Cuando un cuerpo es desplazado mediante una acción orientada en la misma dirección del movimiento, se dice que se ha realizado trabajo. Por ejemplo: Si una persona empuja una caja y ésta se mueve en igual dirección a la fuerza realizada, entonces existe trabajo.

Vista nocturna de Hong Kong, China.

La unidad de medida del trabajo y la energía es la misma, en el Sistema Internacional es el julio (J). Esto se debe a que para producir trabajo se necesita energía, o también, que la energía realiza trabajo. La caloría es una unidad del Sistema Técnico de Unidades, que generalmente se utiliza cuando nos referimos a valor energético en alimentos. Una caloría (cal) es la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua, en 1 grado centígrado, a presión de una atmósfera. 1 caloría es igual a 4,184 julios. A menudo se usa una unidad mayor: la kilocaloría o kcal. 1 kcal = 1000 cal = 4184 J.

El trabajo y la energía

Cuando una fuerza es aplicada sobre un cuerpo y lo desplaza una cierta distancia, se dice que se realizó trabajo mecánico sobre el cuerpo.

En física se produce trabajo solo si existe una fuerza que al actuar sobre un cuerpo da lugar a su desplazamiento. Por ejemplo: si se quiere mover un mueble se debe aplicar fuerza en la dirección que se quiere desplazar. En ese proceso se realiza trabajo sobre el mueble. Por tanto, podríamos definir al trabajo como el resultado o efecto producido luego de aplicar una fuerza para hacer que algo se desplace en la dirección de esa fuerza.

Un detalle a tener en cuenta es que se realiza trabajo si se desplaza un cuerpo, de lo contrario el trabajo es nulo. Es decir, si un cuerpo se mantiene en reposo; por ejemplo si sostenemos una caja no se realiza trabajo. En ese caso estamos haciendo fuerza sobre la caja para que no se caiga pero no existe desplazamiento, por tanto el trabajo es nulo.

Cuando queremos mover un mueble pero no conseguimos desplazarlo porque es muy pesado, el trabajo realizado también es nulo. También se debe tener en cuenta que solo se realiza trabajo si la fuerza ejercida está en dirección del movimiento del cuerpo. Así, si una persona sostiene una caja y camina con ella en forma horizontal, sin subir ni bajar la caja, no realiza trabajo.

El trabajo se mide en joules y para dimensionar tal magnitud un joule equivale al trabajo que se realiza cuando se levanta un pan de manteca de 200 gr a una altura de medio metro.

Algo imposible: un mundo sin energía


La energía solar se origina en los procesos de la fusión nuclear.

La energía se encuentra en todos lados, como ya dijimos a nuestro alrededor encontramos vastos ejemplos que dan muestra de la presencia de energía. Es por ello que es imposible pensar en un mundo sin energía.

El Sol es la fuente básica de energía, su fuerza de gravedad mantiene los planetas en órbita, y su calor posibilita la vida en la Tierra. A su vez, es la fuente más grande de energía lumínica que disponemos.

¿Sabías que el Sol es una estrella más dentro de las millones de billones que se encuentran en el universo y es la más cercana a la Tierra? Ha estado brillando desde hace cinco mil millones de años y su energía sustenta a casi todas las formas de vida en la Tierra a través de la fotosíntesis. La energía irradiada por el Sol incide sobre la atmósfera terrestre, una parte es reflejada al espacio y otra fracción llega a la Tierra.

La radiación que llega a la Tierra es suficiente para abastecer de energía al planeta y es la causa de los vientos, de la evaporación de las aguas superficiales, de la formación de las nubes, de las lluvias y, por consiguiente, de los saltos de agua. Por tanto, también es la fuente de energías renovables como son la energía eólica (producida por el viento) y la energía hidráulica (que se obtiene del aprovechamiento de la energía potencial y cinética del agua).

¿Cómo produce energía el Sol?

En el interior del Sol es donde se crea la energía solar por reacciones de fusión. Allí la temperatura alcanza como mínimo 14 millones de grados y existe una presión elevada que provoca reacciones nucleares. Se liberan protones (núcleos de hidrógeno), que se funden en grupos de cuatro para formar partículas alfa (núcleos de helio). Cada partícula alfa pesa menos que los cuatro protones juntos. La diferencia de masa se evidencia en la superficie del Sol en forma de energía. En otras palabras: el Sol se encuentra continuamente “quemando” hidrógeno, su principal componente, y lo convierten en helio y otros elementos más pesados.

Durante este proceso continuo, se eliminan cuatro millones de toneladas de materia cada segundo. Sin embargo, el Sol también absorbe materia alcanzando a los asteroides y cometas que pasan por sus cercanías.

Formas de energía

La Energía puede manifestarse de diferentes maneras y a ello se lo llama formas de energía.

Si un cuerpo está en movimiento, posee una forma de energía llamada cinética.

Energía cinética: se encuentra asociada al movimiento. El agua que cae, la persona que camina, el auto que se desplaza, el tren en movimiento, son ejemplos en donde se manifiesta la energía cinética. Es decir, la energía cinética de un objeto, es la energía que posee como consecuencia de su movimiento.

Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada.

El viento al mover los objetos también genera energía cinética, pero en particular a esta energía se la llama eólica. Se la obtiene empleando molinos o aerogeneradores que se encargan de transformar esa energía producida por las corrientes de viento en energía eléctrica, por ejemplo.

Cuanto más rápido se mueve un cuerpo, mayor energía cinética posee. Así, el efecto de su impacto será mucho mayor. Por otro lado, la energía cinética también depende de la masa del cuerpo. A mayor masa, mayor energía cinética, si se considera igual la velocidad.

La energía cinética (Ec), se mide en julios (J), la masa (m) se mide en kilogramos (kg) y la velocidad (v) en metros/segundo (m/s). Por tanto, la fórmula para hallar la Ec de un cuerpo es:

Ec = ½ . m . v²

Un cuerpo con energía cinética (agua en movimiento) realiza trabajo si al chocar contra otro cuerpo lo desplaza. Por ejemplo: las olas del mar pueden desplazar a un surfer.

Un resorte comprimido puede realizar trabajo al descomprimirse.

Energía potencial: es aquella que está almacenada y es capaz de producir cambios. Se llama así porque en ese estado tiene el “potencial” para realizar trabajo. Por ejemplo: las pilas acumulan energía, ésta luego es transformada y aprovechada como energía eléctrica al momento de utilizar algún objeto, por ejemplo, linterna.

La energía potencial también se puede relacionar con la gravedad. En ese caso se la llama energía potencial gravitatoria. Tiene que ver con la posición de un objeto y la posibilidad de desplazarse por la acción de la gravedad. Por ejemplo: la energía potencial del agua se convierte en cinética al caer por una cascada como consecuencia de la acción gravitatoria.

Analizando otro ejemplo, podemos ver que también existe energía potencial elástica. Por ejemplo: un resorte comprimido tiene energía potencial elástica, cuando se descomprime genera energía cinética.

Energía interna: es la suma de las energías cinética y potencial de todas las partículas que lo componen. Debido a la gran cantidad de partículas involucradas, es imposible medir la energía interna de un sistema, por lo que únicamente pueden medirse las variaciones de la misma. No incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.

Cuando un cuerpo experimenta una transformación química o bien varían las condiciones de presión y temperatura en que se encuentra, el sistema absorbe o cede energía, cambiando su energía interna. Si la energía interna del sistema disminuye, la energía perdida por el sistema pasará al entorno en forma de calor y será consumida para realizar un trabajo.

Otras formas de energía son:

Térmica: la que poseen los cuerpos debido al movimiento de las partículas que los componen.

Luminosa: la que se transmite por medio de ondas electromagnéticas.

Sonora: la propagación de ondas en el aire.

Eléctrica: la que poseen las cargas eléctricas en movimiento.

Lo sorprendente: la transformación de la energía

Existen diferentes formas de energía y lo asombroso es que se pueden transformar de una a otra. Veamos algunos ejemplos:

- El Sol irradia al espacio una enorme cantidad de energía que la percibimos en forma de luz y calor. Cuando la luz del Sol incide sobre la materia, por ejemplo, el agua, las moléculas que componen el agua comienzan a agitarse generando calor, una de las formas de la energía.

- Al encender una lámpara, la energía eléctrica que ingresa por el tomacorriente se transforma en energía lumínica y en calor.

- La energía química de los combustibles fósiles se transforma en energía mecánica mediante su combustión en un motor para mover un vehículo.

Cualquier tipo de energía puede convertirse en otro, mediante los dispositivos adecuados, con un cierto rendimiento. Una parte de esta energía escapa a la transformación y se pierde en forma de calor.

En una central hidroeléctrica se aprovecha la energía potencial del agua almacenada, la cual es convertida primero en energía mecánica y luego en eléctrica.

Las fuerzas de rozamiento

Cuando un cuerpo roza sobre una superficie, su movimiento se ve continuamente disminuido. Esto se debe a la existencia de fuerzas de rozamiento entre el cuerpo y la superficie que le quitan energía cinética al cuerpo y la transforman en calor.

Para comprender cómo actúan estas fuerzas de rozamiento imaginémonos que hacemos rodar una pelota sobre el suelo. En algún momento la pelota se detendrá porque la fuerza de rozamiento, cuya dirección siempre se opone a la dirección del movimiento, hará que la pelota pierda energía cinética. A su vez, durante este movimiento una parte de la energía se transformará en calor debido al rozamiento.

Principio de conservación de la energía

En todos los ejemplos anteriores podemos notar que la energía no se destruye. La energía puede variar en sus distintas formas en un mismo cuerpo, o pasar de un cuerpo a otro, pero siempre se mantiene constante su valor original. A esta idea se la llama principio de conservación de la energía, y dice que “la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma”.

En toda transformación, parte de la energía se convierte en calor o energía calorífica. Debido a que la “energía de entrada” no puede transformarse íntegramente en otro tipo de energía, se dice que el calor es una forma degradada de energía. Por ejemplo: en una locomotora de vapor, del 100% de la energía química (energía de entrada) presente en el carbón que se quema en la caldera, solo el 8% se transforma en energía mecánica (movimiento de las ruedas). El resto de energía se pierde en forma de calor, y no se aprovecha.

La máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica contenida en el vapor de agua en energía mecánica.

La energía del calor

El calor es una forma de energía en tránsito. Es por ello que fluye siempre desde el cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hacia el que se encuentra a menor temperatura, por lo tanto, un cuerpo que se halle en contacto con otro más “frío" cederá calor a éste hasta que ambos estén a la misma temperatura. Así, cuando un cuerpo aumenta su energía térmica se está calentando, es decir recibiendo calor; y cuando disminuye su energía térmica se está “enfriando”, es decir, perdiendo calor.

Para comprobar que el calor es una forma de energía se puede llevar a cabo una sencilla actividad. Al poner agua dentro de una olla con tapa y llevarla al fuego hasta que el agua hierve, se podrá observar que el vapor de agua, que se expande dentro de la olla, puede levantar la tapa por sí mismo gracias al calor recibido del fuego. Cuando el vapor levanta la tapa, está realizando trabajo. De ese modo se comprueba que el calor es una forma de energía.

La energía del fuego se libera en forma de calor y no se constituye como materia.

Propiedades de la energía

- Se conserva: no se crea, ni se destruye.
- Se transforma: se presenta de muchas formas y puede cambiar entre ellas.
- Se transfiere: puede pasar de un cuerpo a otro.
- Se degrada: cuando se utiliza energía, parte de ella no se aprovecha, generalmente se pierde calor.

La energía eléctrica

El empleo de energía eléctrica significó un importante avance para el confort del ser humano. Gracias a ésta, evolucionó la tecnología que sacia vastas necesidades humanas. Por ejemplo: iluminación, comunicación, refrigeración, calefacción, transporte, artefactos de entretenimientos, entre otros; son posibles gracias a la electricidad.

El auge del petróleo

Luego de la Segunda Guerra Mundial adquirió gran protagonismo en el mercado el petróleo. Si bien las reservas de carbón son mucho más abundantes que las de petróleo, por aquellos años el carbón se había manifestado incapaz de competir en los mercados debido al encarecimiento de su transporte y al de los salarios. Por su parte, el petróleo presentaba más ventajas: fácil de transportar, de gran capacidad energética y materia prima de un sinfín de productos industriales. El petróleo se obtiene mediante una perforación en el yacimiento, que permite que éste o el gas natural fluyan por efecto de la presión y es más redituable que el carbón cuando se encuentra una buena reserva. Estos aspectos han hecho de los hidrocarburos la fuente de energía básica en la segunda mitad del S. XX, si bien desde la crisis del petróleo de 1973 la producción de carbón ha vuelto a aumentar.

Las principales ventajas de la energía eléctrica son la facilidad de producción y la diversidad de sistemas y estrategias para conseguirla. Por otra parte, son destacables su facilidad de transporte y distribución, así como su disponibilidad para ser transformada en otros tipos de energía que permiten una utilización en multitud de aplicaciones, como luz, calor y energía mecánica.

Los inconvenientes principales son: su dificultad de almacenamiento, por lo que solo está disponible en pequeñas cantidades y adaptada a aplicaciones de bajo consumo; y los riesgos y efectos negativos de la electricidad sobre el cuerpo humano, por lo que es necesario respetar ciertas normas de utilización y de seguridad.

El consumo mundial de energía no cesa de crecer, y las tres fuentes fósiles (carbón, petróleo y gas natural) aportan casi el 90 % de la energía mundial. Es en las centrales termoeléctricas donde se produce energía eléctrica gracias a la combustión de las fuentes fósiles. Utilizan la energía contenida en el vapor a presión para mover un alternador y producir energía eléctrica.

El empleo de combustibles fósiles para generar electricidad tiene una importante desventaja: genera emisiones de gases de efecto invernadero. Estos gases naturalmente presentes en la atmósfera absorben la energía solar como una esponja, calentando tanto la superficie del planeta como el aire que lo rodea. Esto contribuye a que la Tierra tenga una temperatura habitable, siempre y cuando estos gases se mantengan dentro de un rango determinado. Si no existiera este fenómeno, la temperatura de la superficie sería de unos veinte grados bajo cero.

Sin embargo, cuando se queman combustibles para producir electricidad y energía, se liberan grandes cantidades de gases de efecto invernadero, que se acumulan en la atmósfera, atrapan enormes cantidades de calor y aumentan aún más la temperatura de la Tierra.

Existe otro problema en relación a la utilización de los combustibles fósiles, son una fuente finita; es decir que su uso está limitado a la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica. Ante esta situación se está buscando producir energía por medios alternativos: energía eólica, solar, hidráulica, etc.

Las fuentes de energía renovables son distintas a las de combustibles fósiles o centrales nucleares debido a su diversidad y abundancia.

Central eléctrica de carbón.

Automóviles del futuro



El gran consumo de energía que se evidencia a nivel mundial y las consecuencias que ello significa obliga a pensar en el modo de reducirlo. Uno de los cambios repercutirá en el funcionamiento de los autos. Algunas de las alternativas energéticas con las que se trabaja en la actualidad para su futura incorporación son, entre otras, el gas natural, el aceite de girasol, los alcoholes o la energía solar.

Otro proyecto muy prometedor tiene que ver con la implementación de los automóviles eléctricos o de los híbridos que funcionarán mediante la conjunción de la electricidad y de otro combustible. Ha de tenerse en cuenta que la necesidad de estas nuevas fuentes energéticas no atiende únicamente a una finalidad puramente ecológica, sino que, según las previsiones de los científicos, los combustibles que los automóviles utilizan en la actualidad se agotarán por completo en uno o dos siglos.

Problemas con la energía

A medida que las sociedades evolucionan, se evidencia una marcada tendencia a un mayor consumo de energía producto del desarrollo tecnológico. En este mayor confort, más energía es empleada y los problemas en el medio ambiente y en la producción de electricidad aparecen:

- Los combustibles fósiles más económicos y fáciles de extraer están disminuyendo.

- Las reservas de petróleo y gas no se encuentran uniformemente distribuidas. Casi el 80% está en Oriente Medio y en la Federación Rusa, por lo que muchos países deberán depender aún más de las importaciones.

- El daño al medio ambiente se incrementa con la utilización de combustibles fósiles que generan gases de efecto invernadero.

- Los países pobres, con bajo acceso al petróleo, dependen de la leña para cocinar o calefaccionar. Esos combustibles sólidos contaminan los hogares con consecuencias perjudiciales para la salud.

Energías del futuro

Energía nuclear.

Ante las problemáticas que aparecen por el incremento constante de energía, se está buscando la implementación de una o varias energías sustentables. Es decir, energías que respeten a largo plazo el bienestar humano y el balance ecológico.

Ya se han desarrollado fuentes de energía no contaminantes, basadas en el aprovechamiento de recursos naturales renovables, que pueden llegar a competir muy ventajosamente con las convencionales: entre ellas figuran las energías de origen solar, eólico, geotérmico y pelágico (de oleaje y maremotriz). Se espera que se conviertan en las principales fuentes de abastecimiento energético, una vez se hayan introducido las soluciones técnicas que permitan elevar su rendimiento.

Sin embargo, el empleo de estas energías aún presenta ciertos inconvenientes:

- Las tecnologías empleadas en las energías renovables siguen siendo más costosas que las empleadas en los combustibles fósiles.

- La energía eólica y solar, son llamadas “energías intermitentes”; es decir, no producen energía todo el tiempo. Lo que implica la necesidad de almacenar energía para los momentos en que no hay viento suficiente o cuando se oculta el Sol. Por tanto, se incrementa su coste de producción. Otra desventaja que presentan es que son locales.

- Ciertas energías renovables como la eólica, solar y de la biomasa necesitan mucho espacio.

Por tanto se sigue investigando y al respecto se estudia la implementación de ciertas fuentes de energías como son la fusión nuclear y las centrales helioeléctricas orbitales. Por el momento existen obstáculos para su explotación comercial.

La fusión nuclear se basa en la unión de dos núcleos para formar otro de mayor masa atómica. La masa que se pierde en el proceso, es convertida en energía. Durante el proceso de fusión es necesario alcanzar una temperatura mínima de 20 millones de grados centígrados. La bomba de hidrógeno es un ejemplo de fusión nuclear. La energía de fusión es, pues, una energía muy prometedora, pero que exige aún muchos esfuerzos de investigación.

También existe la fisión nuclear que ocurre cuando se hace impactar a un neutrón con un átomo pesado para dividirlo en dos átomos más livianos más tres neutrones. Estos neutrones a su vez chocan con otros átomos generando una reacción en cadena que produce gran cantidad de energía. Las reacciones se generan dentro de un reactor nuclear, las centrales nucleares suelen tener varios reactores en funcionamiento. Los productos de fisión son muy radiactivos, esto puede ser un inconveniente si hay fallas en el almacenaje. Una de las ventajas es que la energía por fisión no produce gases de efecto invernadero.

Las centrales solares espaciales son satélites artificiales dotados de dispositivos capaces de captar parte de la energía solar reflejada por la atmósfera y que no alcanza la superficie terrestre. Una de las alternativas para conseguir dicha energía consiste en disponer un espejo en el espacio que refleje los rayos solares y los dirija a puntos determinados de la superficie terrestre como por ejemplo, a las regiones polares, donde la noche dura seis meses al año.

Otro proceso que se está estudiando contempla la posibilidad de poner en funcionamiento un enorme satélite provisto de celdas fotovoltaicas, capaces de almacenar durante cortos períodos la energía solar que recibe y emitirla en forma de haces de microondas a estaciones receptoras situadas en la Tierra, cada vez que su órbita pasa sobre alguna de ellas. Estas estaciones, a su vez, podrían convertir las microondas en energía eléctrica.