La importancia de la energía

Transcripción

1 La importancia de la energía Cuando nos preguntamos que es la energía, podemos encontrarnos con respuestas del estilo: "La energía es una magnitud escalar, fundamental, característica de los sistemas, en virtud de la cual éstos pueden transformarse, modificando su estado o situación, así como actuar sobre otros sistemas originando en ellos procesos de transformación". Pero. qué quiere decir esto? Por lo que ya vimos podemos entender que la energía es una propiedad que puede medirse y que para definirla es necesario utilizar las unidades correctas (revisen la actividad 8 de la guía de magnitudes). Además, esta definición nos dice que la energía es una característica de los sistemas (cuerpos o conjuntos de cuerpos que se aíslan para su estudio) que habilita su cambio, y que además puede actuar sobre otros sistemas originando cambios en estos últimos. Podemos entonces interpretar a la energía como una magnitud que define a un sistema por los cambios que se observan en el mismo, siendo estos cambios, cambios en los valores de sus propiedades, como podrían ser el volumen, la posición, la velocidad, la temperatura y la densidad, entre otros. Pero para poder evaluar este cambio, es necesario comparar dos momentos separados en el tiempo, uno inicial y uno final. Si las propiedades del sistema no cambian (o se conservan) a lo largo del tiempo, podemos decir que el sistema está en equilibrio y, por lo tanto, no cambia de estado. Ejemplo de esto sería una pelota sobre el césped, una botella cerrada con un líquido a temperatura ambiente, un fósforo sin encender o un auto estacionado con el motor apagado. En cambio, cuando un sistema sufre cambios en todas o algunas de sus propiedades, decimos que el sistema experimenta un cambio de estado. Por ejemplo: si alguien patea la pelota, hay un cambio en su velocidad y en su posición; si colocamos la botella en la heladera, disminuye su temperatura; al raspar el fósforo contra la cajita este se enciende; y si ponemos en funcionamiento el auto, comenzará a andar. En todos los casos se produce una transformación del sistema, gracias a la intervención de alguna forma de energía que se transmite y/o se transforma dentro del mismo sistema o en su interacción con el medio que lo rodea. 1

2 Podemos clasificar a las energías en dos grandes grupos: las potenciales y las cinéticas. Las energías potenciales son aquellas que suelen resultar de la posición o configuración del objeto, y las cinéticas son aquellas formas de energía que están relacionadas con el movimiento de partículas, cuerpos o sistemas. Ejemplo de energías potenciales serían: La energía solar que se origina en los procesos de fusión nuclear que ocurren en nuestro sol y llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética. La energía eléctrica, causada por el pasaje de cargas eléctricas a través de un material conductor. La energía química, que es la energía interna del sistema y está asociada a los procesos químicos. La energía geotérmica, presente en el interior de nuestro planeta, se manifiesta en las erupciones volcánicas, los géiseres y las aguas termales. La energía potencial gravitatoria se relaciona con la posibilidad que tienen los sistemas de modificarse o modificar a otros debido a la interacción gravitatoria entre cuerpos. 2

3 La energía nuclear es la energía liberada durante los procesos de fusión y fisión de los núcleos de átomos inestables Ejemplos de energías cinéticas serían: La energía mareomotriz está asociada al movimiento de grandes masas de agua producido por las mareas. La energía eólica es la asociada al movimiento de las masas de aire. La energía hidráulica es la energía que posee el agua en movimiento o al cambiar de altura. Otra clasificación de las energías podría ser: La energía mecánica está asociada a cambios en la posición y/o velocidad del sistema. Esta puede presentarse en forma de energía cinética, de energía potencial gravitatoria o ambas. La energía interna de un sistema está relacionada con el estado de agitación de las moléculas y de sus posiciones relativas dentro del sistema. El concepto de energía, no es un concepto sencillo de comprender, dado que no se trata de un cuerpo sino de una cantidad de magnitud que posee un cuerpo. Por tal motivo es que no la podemos describir como lo haríamos con un cuerpo y por eso recurrimos a sus propiedades. La energía posee la propiedad de: Poder transferirse de un cuerpo a otro. Como no se la puede construir de la nada, ni se puede destruirla sin dejar vestigios de ella, decimos que puede transformarse. Conservación Degradación 3

4 En la naturaleza la energía sufre diversas transformaciones. Las plantas con clorofila pueden utilizar la energía solar para realizar la fotosíntesis, transformando la energía solar en energía química que permanecerá almacenada en los frutos, tallos y hojas de estas plantas. Cuando los herbívoros, por ejemplo, se alimentan de las plantas, de sus frutos o semillas, obtienen parte de esa energía química almacenada en los tejidos vegetales. Luego estos animales servirán de alimento a seres vivos carnívoros, por lo que la energía química original quedará almacenada en sus células, tejidos y órganos. Los seres vivos hacemos uso de alguna forma específica de energía para producir cambios o transformaciones en nuestro ambiente natural. Los seres humanos sin ir más lejos, aprendimos a utilizar la combustión del carbón o de la madera para cocinar alimentos o calefaccionar sus viviendas, y aprovechamos las corrientes de los ríos (producidas por la energía cinética de las masas de agua) y la energía eólica (energía cinética del aire) para navegar o mover molinos. En los procesos que acabamos de nombrar, la energía almacenada en un sistema se transfiere a otro, o bien se transforma en otra forma de energía. Llamamos transformación de la energía al proceso por el cual cambia la forma de energía, utilizándose para esto un elemento al que llamamos convertidor En un automóvil (sistema) por ejemplo, gran par de la energía química del combustible se transforma en energía mecánica, gracias a la presencia de un motor de combustión, el cual actúa como convertidor. Y hablamos de transferencia de la energía cuando la misma pasa de un sistema a otro. Este intercambio de energía puede realizarse de tres formas diferentes: calor, trabajo y radiación. CALOR Por ejemplo, al calentar los alimentos en el horno, la energía que se libera en la combustión del gas, se transfiere a los alimentos provocando un aumento de su temperatura, y al apoyar la plancha caliente sobre la ropa, esta se calienta por la transferencia de energía. 4 Al soldar se transfiere energía en forma de calor

5 En ambos ejemplos el sistema que está a mayor temperatura, le transfiere energía al que está a menor temperatura. A esta forma de transferencia de la energía la denominamos calor. TRABAJO El trabajo es la otra forma de transferencia de energía, y se manifiesta cuando se aplica una fuerza sobre un sistema produciendo un desplazamiento del mismo. Por ejemplo, si una persona desea levantar un paquete del piso y apoyarlo sobre la mesa, la fuerza aplicada para elevarlo realiza un trabajo; un albañil para desplazar una carretilla llena de ladrillos, debe aplicar una fuerza sobre la carretilla, y en Al aplicar una fuerza para desplazar la carretilla, la fuerza realiza un trabajo. caso que el albañil no pueda desplazar la carretilla, no se realiza un trabajo porque no hay transferencia de energía, a pesar de realizar un esfuerzo físico. RADIACIÓN La radiación es otra forma de transferencia de energía que se realiza mediante ondas electromagnéticas. Los sistemas que poseen luz propia como el sol, lámparas eléctricas, faroles de kerosén o velas, transfieren su energía al medio que los rodea a través de la luz, que es un tipo de radiación que resulta visible al ojo humano. Los radares captan la energía transferida en forma de radiación. Pero también existen otras radiaciones no visibles que transportan energía como los rayos X con los que nos sacamos las radiografías, las microondas de los hornos, las ondas de radio, los rayos ultravioleta de los que nos protegemos con filtros solares. Los resultados de la observación y la experiencia científica, nos muestran que en todas las transformaciones, la cantidad total de energía se conserva. Conocemos a esta propiedad como el principio de la conservación de la energía: En todas las transformaciones energéticas que ocurren en un sistema aislado, cambia la forma en la que se presenta la energía pero no cambia la cantidad total de energía. Es decir, la cantidad de energía antes de la transformación es la misma que hay después de la transformación. 5

6 Este principio se cumple si los sistemas que cambian se encuentran aislados de otros sistemas, es decir, que si el sistema no cede ni recibe energía del exterior su energía se mantiene constante, aunque dentro del mismo puedan ocurrir procesos de transformación, dado que en estos casos la energía ganada por una parte del sistema será cedida por otra del mismo sistema. Desde tiempos remotos el hombre intentó inventar una máquina de funcionamiento continuo, es decir, una máquina capaz de trabajar sin gasto energético, creando ella misma la energía necesaria para trabajar, pero todos estos intentos fueron frustrados. En realidad esta denominación se refiere a máquinas de Sin embargo, en todos los casos no podemos crear energía de la nada. Por ejemplo, un molino de viento puede sacar agua de un pozo a costa de la energía cinética del viento, que a su vez no sale de la nada, sino que es producida por la energía solar que al calentar algunos lugares de la Tierra más que otros, provoca corrientes de aire, y esta energía solar es generada por la energía nuclear liberada en los procesos de fusión nuclear que se llevan a cabo en el Sol. Ya sabemos que la energía se conserva, entonces podríamos preguntarnos si toda la energía que se le entrega a un sistema se transforma en energía útil. Para responder a esta pregunta analizaremos un ejemplo: En una central hidroeléctrica, la energía potencial del agua contenida en un dique se transforma en energía cinética al caer. La energía cinética del agua hace mover las turbinas de una usina; estas turbinas mueven a su vez una dínamo, que es un aparato que transforma la energía cinética en energía eléctrica. La energía eléctrica viaja a través de cables hasta un motor eléctrico, que es un aparato que funciona al revés de la dínamo y transforma la energía eléctrica en energía cinética pues pone en movimiento una rueda. El movimiento de esta rueda se transmite a una bomba de agua y esta bomba envía el agua hasta un tanque, convirtiendo la energía cinética en energía potencial gravitatoria. Si no hubiese pérdidas en el camino la cantidad de energía almacenada al final, en el tanque, sería igual a la que primitivamente se tenía en el dique, pero esto no es así de la energía inicial entregada al sistema, no toda se transforma en energía útil, sino 6

7 que parte de ella se va perdiendo en las distintas etapas del proceso de transferencia y/o transformación. La pérdida de energía se debe a que se transforma en energía interna de las distintas partes del sistema (convertidores, cables) y del medio ambiente, lo cual se manifiesta mediante un aumento de la temperatura. A esta característica de la energía por la cual parte de ella se transforma en energía no aprovechable, la denominamos degradación. 7