Temario

“La cuestión no es descubrir cómo producir más y más energía, sino cómo evitar necesitar cada vez mayores cantidades de la misma, aprovechando eficaz y racionalmente las fuentes renovables que nos ofrece la Naturaleza (Ideario del Centro de Estudios de la Energía Solar, España).”

NOTA

El tema de los tipos de energía que utiliza la civilización humana tiene una muy amplia literatura. Muchos resúmenes y descripciones detalladas pueden encontrarse fácilmente en Internet; más específicamente, en Wikipedia, buscando con los títulos de las diferentes tipos de energía que, con mayor o menor detalle, aparecen en estas Notas (eólica, solar, geotérmica, marina, saltos de agua, fósiles, nucleares). También, el interesado puede hacer búsqueda en YouTube; entregamos algunos ejemplos en el texto.

1. GENERALIDADES

1.1 Definiciones básicas

La energía produce trabajo, en la forma de algún movimiento que vence a una fuerza; de este modo, energía y trabajo tienen la misma unidad de medida. Según lo anterior, tenemos que Trabajo = Fuerza * Desplazamiento; es decir, ocupamos energía para desplazar un cuerpo en contra de una fuerza que, en principio, lo impide. Debido a su importancia en distintos aspectos de la sociedad humana, existen numerosas unidades para medir el tipo de energía: caloría, KWh (kilovatio hora), tonelada equivalente de petróleo o de carbón, electronvoltio, ergio, pie por libra, caballo de fuerza por hora, entre otros. Unidades físicas en los sistemas de unidades estándares son 1 julio = 1 newton x metro (MKS); 1 ergio = 1 dina x cm (cgs). Llamando potencia a la capacidad para producir un trabajo por unidad de tiempo, de donde Potencia = Energía / Tiempo con la unidad más común 1 W = 1 Julio/s = 1 N-m/s (W: vatio o Watt; N: newton).

Tenemos diversos tipos de energía dependiendo del tipo de fuerza asociado: gravitacional, roce, eléctrico, magnético, calor, eólico, atómica, nuclear fuerte o débil, etc. Quizás la fuerza más universal que impide un desplazamiento es el roce o fricción que aparece por un móvil en contacto con algún material durante el movimiento; por ejemplo, contacto con el aire de un proyectil o avión; con el asfalto de la carretera, en el caso de un automóvil.

Debemos recordar que la energía, en general, se disipa ya sea por el roce o fricción, por la tendencia a que un cuerpo caliente tienda a enfriarse por la, generalmente menor, temperatura ambiente. Este efecto es también de degradación ya que esta energía disipada ya no se recupera y sólo se puede disminuir el efecto, por ejemplo, en el diseño de máquinas. No menos importante es que el uso de energía produce residuos que se pueden o no reutilizar; lo último, por ejemplo, produciendo abonos o reciclando los deshechos para reincorporarlo al ciclo económico.

Lo anterior nos conduce a los dos principios de la termodinámica en que el primero simplemente indica que el calor es una forma de energía y que el total de ella se conserva. El segundo principio considera lo siguiente. Todo proceso de la naturaleza por el cual se transforma calor procedente de un foco caliente en trabajo mecánico requiere la cesión de una parte del calor absorbido a un elemento frío; esa parte de la energía no se aprovecha. Así la máquina tiene una eficiencia que se mide del modo siguiente

en que Q2 es la parte de la energía Q1 que se disipa y no se aprovecha. La segunda ley de la termodinámica indica una dirección en que los procesos termodinámicos se desarrollan y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta (sólo) el primer principio. Esta ley se cuantifica con la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero. Podemos visualizar la entropía como la medición del desorden en un sistema y el segundo principio señala la tendencia de sistemas aislados a evolucionar hacia el desorden en su estructura. Como la formación y evolución de los seres vivos lleva la tendencia a un mayor orden, la evolución pareciera ir en dirección opuesta a la señalada por el segundo principio de la termodinámica lo que se explica porque el sistema “Tierra” no está aislado ya que recibe continuamente energía solar.

Debido a esta ley se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico. Su aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en trabajo mecánico. Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.

  • Enunciado de Clausius. «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada».
  • Enunciado de Kelvin. “No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente (energía absorbida), y lo convierta íntegramente en trabajo (energía útil).

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