La energía es la capacidad de producir algún tipo de
trabajo o poner algo en movimiento. Si bien el término
puede definirse desde una variedad amplia de enfoques, lo cierto es que todos
ellos guardan algún tipo de relación con la definición
provista. La energía es un tópico de enorme
relevancia para la actividad humana, en la medida en que permite el desarrollo de la vida en la tierra y sostiene la actividad
económica.
La fuente de energía más
importante para el hombre lo constituye el sol.
Así es gracias a la luz solar que los vegetales pueden, a través
de células especialmente diseñadas para esa tarea, tomar
energía y producir su propio alimento que deriva en la producción de
oxígeno. Así vistos los hechos, los vegetales también
constituyen la primera fuente de energía de la cadena alimenticia, en la medida en que
sirven para nutrir a los herbívoros y desde allí a todo el resto
de los seres vivos.
Para
las actividades de producción de bienes y servicios también es importante el
requerimiento de fuentes de energía. Es por ello que la explotación de recursos energéticos tiene
una enorme importancia estratégica,
porque es la base sobre la que se pone en funcionamiento toda
la economía. Las principales fuentes de energía en este
sentido lo constituyen los hidrocarburos, que son compuesto
orgánicos que se conforman por hidrógeno y carbono; así,
el gas natural y el petróleo son indispensables para que la actividad
humana se desarrolle en nuestros días.
Uno de los principales problemas en la
actualidad que aguardan su solución es la necesidad de extraer
energía de nuevas fuentes. Una posible respuesta
la ofreció por mucho tiempo la energía nuclear pero su costo y los peligrosos
accidentes asociados a ella actuaron en detrimento de esta posibilidad. Otras
variantes para generar energía pueden ser el uso del viento, de las
mareas, del calor de la tierra, del los ríos, etc. En el futuro se
apreciarán nuevas posibilidades con respecto a este tema.
La energía y su historia.
Del fuego al reactor nuclear.
Los científicos que
estudian la evolución de
la especie humana encontraron herramientas de
piedra muy rudimentarias.
El uso de una piedra para
golpear otra como si fueran un martillo, o el acto de arrojar una piedra o una
lanza para cazar un animal implican la utilización de la
energía cinemática,
pues, al estar en movimiento,
el arma o la herramienta resultan mas efectivas en el trabajo.
Hace unos 30.000
años, el hombre comenzó
a dominar el fuego. La posibilidad de encender y mantener el fuego
permitió la calefacción, el comienzo de la cocción de los alimentos y
marco los inicios de la metalurgia.
El hombre primitivo
necesitaba la energía de los alimentos (la energía
calórica) la cual debía ser consumida en grandes proporciones ya
que la búsqueda de los mismos era dificultosa. Hace 10.000 años,
con la aparición de la ganadería y
la agricultura,
el hombre comenzó a gastar menos
energía en la búsqueda de los alimentos y mantuvo fuentes de
energía disponibles como son los rebaños y las plantaciones.
Mas tarde, empezaron a
usarse animales para
la tracción de arados. La utilización de la energía
aportada por animales fue extendiéndose al transporte,
la molienda de granos o las bombas para
impulsar agua.
Los molinos
Otra etapa de
aprovechamiento de la energía es el desarrollo de
los molinos. Diferentes civilizaciones comenzaron a utilizarlos: primero,
movido por corrientes o caídas de agua y, luego, impulsados por el viento.
La energía
cinética del aire también
se utilizo en la navegación para reemplazar a los remeros que
impulsaban los barcos. Mediante las velas, los barcos convertían la
energía cinética del aire en energía cinética de la
nave.
Las maquinas de vapor
En el siglo XVII se
produjo el desarrollo de las maquinas a vapor.
Desde comienzos del siglo
XVII, se utilizaba como combustible el carbón mineral. Las minas de las
que extraía el carbón se inundaban frecuentemente yel agua era
extraída mediante bombas accionadas por caballos.
En 1712, se utilizo por
primera vez una bomba impulsada por un motor de
vapor, diseñado por Thomas Newcomen.
James Watt en 1769 le
realizo modificaciones y logro un motor rendimiento. La maquina de Watt se
utilizo hasta 1784 para desagotar minas.
A medida que las maquinas
de vapor eran más seguras y eficientes, comenzaron a ser usadas para el transporte.
Robert Fulton realizo pruebas con
un pequeño barco impulsado por una maquina de vapor e instalo, en los
EE.UU. la primera línea de barcos de este tipo. En 1823, comenzó
a circular en Inglaterra el
primer ferrocarril con una locomotora de vapor.
Los motores de combustión interna.
El desarrollo de los
motores que utilizan la energía interna del petróleo tuvo
varias etapas. El primer antecedente corresponde a dos ingenieros italianos,
que hicieron funcionar un motor alimentado con gas alumbrado.
Nicolás Otto desarrollo en Alemania el
primer modelo de
motor, que permitió la fabricación de automóviles en forma
industrial.
Los motores livianos
permitieron los primeros ensayos de
navegación aérea. Así fue como los globos aerostaticos se
convirtieron en dirigibles. En 1903, se realizo el primer vuelo en un avión impulsado por un motor. El desarrollo
y la difusión del uso de los motores de combustión interna comenzó a generar una gran dependencia
energética
respecto del petróleo.
La
energía cinética es energía que un objeto posee debido a
su movimiento. Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía
cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto,
producir un trabajo.
Para
que un cuerpo adquiera energía cinética o de movimiento, es
decir, para ponerlo en movimiento, es necesario aplicarle una fuerza. Cuanto
mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la
velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética
será también mayor.
Cuando
un objeto se levanta desde una superficie se le aplica una fuerza vertical. Al
actuar esa fuerza a lo largo de una distancia, se transfiere energía al
objeto. 
La
energía asociada a un objeto situado a determinada altura sobre una
superficie se denomina energía potencial.
Si
se deja caer el objeto, la energía potencial se convierte en
energía cinética. Otro factor que influye en la energía
cinética es la masa del cuerpo.
Por
ejemplo, si una bolita de vidrio de
5 gramos de masa avanza hacia nosotros a una velocidad de 2 Km. / h no se
hará ningún esfuerzo por esquivarla. Sin embargo, si con esa
misma velocidad avanza hacia nosotros un camión, no se podrá
evitar la colisión.
La
fórmula que representa la Energía Cinética es la
siguiente:
E c = 1 / 2 ·
m · v
2
E c = Energía cinética
m = masa
v = velocidad
Cuando
un cuerpo de masa m se mueve con una velocidad v posee
una energía cinética que está dada por la fórmula
escrita más arriba.
En
esta ecuación, debe haber concordancia entre las unidades empleadas. Todas
ellas deben pertenecer al mismo sistema. En el Sistema Internacional (SI), la
masa m se mide en kilogramo (Kg.) y la velocidad v
en metros partido por
segundo ( m / s), con lo cual la energía
cinética resulta medida en Joule ( J ).
En mecánica clásica
un cuerpo de masa m, desplazándose a una velocidad v, posee una energía cinética.
Ejemplo
Una
vez que la caja fue corrida de lugar, al tener movimiento, se cargo de
energía cinética, mediante el siguiente principio:
"El trabajo de la fuerza resultante
aplicada sobre un objeto produce una variación en su energía
cinética.
Es la
energía producida por el viento. La primera utilización de la
capacidad energética del viento la constituye la navegación a
vela. En ella, la fuerza del viento se utiliza para impulsar un barco. Barcos
con velas aparecían ya en los grabados egipcios más antiguos
(3000 a.C.).
Los egipcios, los fenicios y
más tarde los romanos tenían que utilizar también los
remos para contrarrestar una característica esencial de la
energía eólica, su discontinuidad. Efectivamente, el viento
cambia de intensidad y de dirección de
manera impredecible, por lo que había que utilizar los remos en los
periodos de calma o cuando no soplaba en la dirección deseada. Hoy,
cuando se utilizan molinos para generar electricidad, se usan los
acumuladores para producir electricidad durante un tiempo cuando
el viento no sopla.
Otra característica de la
energía producida por el viento es su infinita disponibilidad en función lineal
a la superficie expuesta a su incidencia. En los barcos, a mayor superficie
bélica mayor velocidad. En los
parques eólicos, cuantos más molinos haya, más potencia en
bornes de la central. En los veleros, el aumento de superficie bélica
tiene limitaciones mecánicas (se rompe el mástil o vuelca el
barco).
En los parques eólicos las
únicas limitaciones al aumento del número de molinos son las urbanísticas.
VENTAJAS DE
LA ENERGÍA EÓLICA
·
Es
una fuente de energía segura y renovable.
·
No produce
emisiones a la atmósfera ni genera residuos,
salvo los de la fabricación de los equipos y el aceite de los
engranajes.
·
Se trata de
instalaciones móviles, cuya desmantelación permite recuperar
totalmente la zona.
·
Rápido
tiempo de construcción (inferior
a 6 meses).
·
Beneficio económico para
los municipios afectados (canon anual por ocupación del suelo). Recurso
autóctono.
·
Su
instalación es compatible con otros muchos usos del suelo.
·
Se crean
puestos de trabajo
DESVENTAJAS
DE LA ENERGÍA EÓLICA
·
Impacto visual:
su instalación genera una alta modificación del paisaje.
·
Impacto sobre
la avifauna: principalmente por el choque de las aves contra
las palas, efectos desconocidos sobre modificación de los
comportamientos habituales de migración y
anidación.
·
Impacto
sonoro: el roce de las palas con el aire produce un ruido constante,
la casa más cercana deberá estar al
menos a 200 m. (43dB(A))
·
Posibilidad de zona
arqueológicamente interesante.
Una central eólica en Palm-Springs, California
(EUA).
El uso tradicional de los molinos de viento para moler trigo ha
sido ha sido sustituido recientemente por el de generar electricidad. En Europa y EUA se han construido varias
centrales eólicas de gran tamaño, principalmente en lugares ventosos de la costa. Los diseños modernos son básicamente de dos
tipos: turbinas de ejes horizontales que parecen hélices gigantescas de aviones; y turbinas de ejes verticales, que
tienen la ventaja de que no
necesitan estar orientadas hacia el viento.
Un volcán en
erupción es un espectáculo dantesco en el que las explosiones estremecedoras,
el fuego y el desbordamiento de piedras fundidas en forma de lava han asombrado
siempre al hombre, que lo ha interpretado como una fuerza desatada de la
Naturaleza. Pero también puede interpretarse como una
manifestación de la energía almacenada en el seno de la tierra
que emerge a la superficie, liberándose.
Las manifestaciones de esta
energía no sólo son los volcanes, sino
también los arroyos calientes, los 
géiseres
o las fumarolas, que no son tan peligrosos como los volcanes y, por tanto con
mayores garantías de seguridad.
La energía
geotérmica tiene, posiblemente, su origen en la descomposición de
los isótopos radiactivos presentes en las zonas internas de la Tierra,
que al desintegrarse liberan gran cantidad de energía. Esta
liberación energética es la que provoca la fusión de
las rocas,
calentamiento de aguas, etc.
Como siempre, el aprovechamiento
de esta energía consiste en la obtención de un vapor a la
suficiente presión como para conseguir producir corriente
eléctrica por medio de un alternador. Con
esta base, común a toda explotación energética,
los problemas específicos que se plantean son de problematécnico.
Ahora bien, no en todos los
lugares del mundo emergen espontáneamente manantiales de agua caliente o
vapor, pero hay una forma de obtenerlos.
Cuando se perfora la corteza
terrestre, aumenta la temperatura a medida que se profundiza; así,
haciendo perforaciones profundas en el suelo, barrenando las rocas
del fondo é inyectando agua por el orificio practicado,
ésta se transformaría en vapor, que se recuperaría por
otro conducto y luego se usaría para producir electricidad.
Pero todavía existen
problemas de difícil solución, como es la corrosión sufrida
por los materiales utilizados
para el sondeo, ya que el vapor de agua obtenido arrastra sales de las
profundidades de la Tierra.
Estas plantas resultan
más económicas que las de carbón o nucleares, lo
que hace que se sigan desarrollando y se confíe en ellas como recurso
energético.
En algunos lugares se dan otras
condiciones especiales como son capas rocosas porosas y capas rocosas
impermeables que atrapan agua y vapor de agua a altas temperaturas y presión
y que impiden que éstos salgan a la superficie. Si se combinan estas
condiciones se produce un yacimiento geotérmico.
La energía geotérmica tiene varias ventajas: el flujo de
producción de energía es constante a lo largo del año ya
que no depende de variaciones estacionales como lluvias, caudales de
ríos, etc. Es un complemento ideal para las plantas
hidroeléctricas.
El vapor producido por
líquidos calientes naturales en sistemas geotérmicos es una
alternativa al que se obtiene en plantas de energía por quemado de
materia fósil, por fisión nuclear o por otros medios.
Las perforaciones modernas en los
sistemas geotérmicos alcanzan reservas de agua y de vapor,
calentados por magma mucho más profundo.
La energía térmica
puede obtenerse también a partir de géiseres y de grietas.
En algunas zonas de la Tierra, las rocas del subsuelo se encuentran a
temperaturas elevadas. La energía almacenada en estas rocas se conoce
como energía geotérmica. Para poder extraer
esta energía es necesaria la presencia de yacimientos de agua
cerca de estas zonas calientes.
Podemos encontrar
básicamente tres tipos de campos geotérmicos dependiendo de la
temperatura a la que sale el agua:
·
La
energía geotérmica de alta temperatura
·
La
energía geotérmica de temperaturas medias
·
Campo
geotérmico de baja temperatura
La
energía geotérmica de alta temperatura existe en las zonas
activas de la corteza. Su temperatura está comprendida entre 150 y
400ºC, se produce vapor en la superficie que enviando a las turbinas,
genera electricidad. La energía geotérmica de temperaturas medias
es aquella en que los fluidos de los acuíferos están a
temperaturas menos elevadas, normalmente entre 70 y 150ºC.
Por consiguiente, la
conversión vapor-electricidad se realiza a un menor rendimiento, y debe
utilizarse como intermediario un fluido volátil. La energía
geotérmica de baja temperatura es aprovechable en zonas más
amplias que las anteriores; por ejemplo, en todas las cuencas sedimentarias. Es
debida al gradiente geotérmico. Los fluidos están a temperaturas
de 60 a 80ºC. La energía geotérmica de muy baja temperatura
se considera cuando los fluidos se calientan a temperaturas comprendidas entre
20 y 60ºC. Esta energía se utiliza para necesidades
domésticas, urbanas o agrícolas.
La geotermia es una fuente de
energía renovable.
Los usos directos de las aguas
geotérmicas van en un rango de 10 a 130ºC y son utilizadas
directamente de la tierra:
·
Para uso
sanitario.
·
Balnearios.
·
Para cultivos
en invernaderos durante el periodo de nevadas.
·
Para reducir
el tiempo de crecimiento de pescados, crustáceos, etc.
·
Para varios
usos industriales como la pasteurización de la leche.
·
Para la
implantación de calefacción en distritos enteros y viviendas
individuales.
La energía
geotérmica es una alternativa ante el agotamiento de los recursos convencionales
y un aporte importante para solucionar los problemas de energía,
abriendo una posibilidad de un futuro mejor para todos.
La
energía mareomotriz se debe a las fuerzas 
gravitatorias entre la Luna, la Tierra y el Sol, que
originan las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares
según la posición relativa entre estos tres astros.
Esta
diferencia de alturas puede aprovecharse en lugares estratégicos como
golfos, bahías o estuarios utilizando turbinas hidráulicas que se
interponen en el movimiento natural de las aguas, junto con mecanismos de
canalización y depósito, para obtener movimiento en un eje.
Mediante
su acoplamiento a un alternador se puede utilizar el sistema para la
generación de electricidad, transformando así la energía
mareomotriz en energía eléctrica, una forma energética
más útil y aprovechable.
La
energía mareomotriz tiene la cualidad de ser renovable en tanto que la
fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y es
limpia, ya que en la transformación energética no se producen
subproductos contaminantes durante la fase de explotación.
Sin
embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede
obtener con los medios actuales y el coste económico y el impacto
ambiental de instalar los dispositivos para su proceso han impedido una
proliferación notable de este tipo de energía.
Otras
formas de extraer energía del mar son la energía undimotriz, que
es la energía producida por el movimiento de las olas; y la
energía debida al gradiente térmico oceánico, que marca
una diferencia de temperaturas entre la superficie y las aguas profundas del
océano.
La
Energía maremotérmica es una energía basada en el
gradiente térmico oceánico es la diferencia de temperatura entre
las superficie del mar y las aguas profundas.
Esta
diferencia puede ser aprovechada para producir energía renovable. En
algunos casos se puede aprovechar como subproducto, el agua destilada y la
salmuera para obtener agua potable y sal respectivamente.
El
rendimiento es muy bajo, 1 a 3%, independientemente de que se usen turbinas o
motores Stirling.
Los sistemas de energía fotovoltaica permiten la
transformación de la luz solar en energía eléctrica, es
decir, la conversión de una partícula luminosa con energía
(fotón) en una energía electromotriz (voltaica).
El elemento principal de un sistema de energía
fotovoltaica es la célula fotoeléctrica, un
dispositivo construido de silicio (extraído de la arena común).
Los paneles solares están constituidos por cientos de
estas células, que conexionados adecuadamente suministran voltajes
suficientes para, por ejemplo, la recarga de unas baterías. Tienen utilidad en múltiples campos, desde el
ámbito doméstico, hasta los satélites artificiales.
Cuando la energía luminosa incide en la célula fotoeléctrica, existe un
desprendimiento de electrones de los átomos que comienzan a circular
libremente en el material. Si medimos el voltaje existente entre los dos
extremos del material (positivo y negativo) observaremos que existe una
diferencia de potencial entre 0,5 y 0,6 voltios.
Si le aplicamos una carga eléctrica, veremos que es
posible obtener una corriente de 28 miliamperios por cada centímetro
cuadrado iluminado. Hemos convertido el dispositivo en una especie de
batería eléctrica, que permanecerá aportando
energía indefinidamente en tanto reciba iluminación.
Pero esta pequeña cantidad de energía es
insuficiente e inútil, si no somos capaces de obtener mayores voltajes y
corrientes que permitan aplicaciones prácticas. Para ello se
diseñan en cada oblea cientos de diodos, los
cuales, interconectados en serie y paralelo son capaces de suministrar
tensiones de varios voltios, así como corrientes del orden de amperios.
Este sistema básico de generación de energía
por medio de la luz solar, puede obtener un rendimiento mayor si se disponen
dispositivos de controladecuados.
Posteriormente, la energía obtenida debe ser almacenada para que pueda ser
utilizada por la noche, en que la ausencia de luz no permite su
obtención directa. Los paneles solares pueden acoplarse en forma
modular, ello permite que puedan pasar de un sistema doméstico de
generación de energía, a otro más potente para industrias o instalaciones de gran consumo.
Los inconvenientes de este sistema de generación de
energía, no es tanto el origen de esa energía, el Sol, que excede
nuestras necesidades, ni tampoco lamateria prima de donde se extrae el silicio,
consistente en arena común muy abundante en nuestras playas; se trata de
la técnica de construcción de las obleas, excesivamente compleja
y cara. Un segundo motivo, es el rendimiento obtenido y el espacio de terreno
ocupado por los elementos captadores.
Como contrapunto a sus inconvenientes, es un sistema ideal para
instalar en lugares remotos donde no sea posible tender cableados
eléctricos o disponer de personal de mantenimiento,
tales como teléfonos de emergencia en determinadas zonas (autopistas,
alta montaña, etc.), faros marinos en costas poco
accesibles, boyas en bajos marinos peligrosos para la navegación que sea
preciso señalar, equipos de salvamento a bordo de buques, etc.
Es la energía
almacenada que posee un sistema como resultado de las posiciones relativas de
sus componentes. Por ejemplo, si se mantiene una pelota a
una cierta distancia del suelo, el sistema formado por la pelota y la Tierra
tiene una determinada energía potencial; si se eleva más la
pelota, la energía potencial del sistema aumenta. Otros ejemplos de
sistemas con energía potencial son una cinta elástica estirada o
dos imanes que se mantienen apretados de forma que se toquen los polos iguales.
Para proporcionar
energía potencial a un sistema es necesario realizar un trabajo. Se
requiere esfuerzo para levantar una pelota del suelo, estirar una cinta
elástica o juntar dos imanes por sus polos iguales. De hecho, la
cantidad de energía potencial que posee un sistema es igual al trabajo
realizado sobre el sistema para situarlo en cierta configuración. La
energía potencial también puede transformarse en otras formas de
energía.
Por ejemplo, cuando se suelta
una pelota situada a una cierta altura, la energía potencial se
transforma en energía cinética.
La energía potencial
se manifiesta de diferentes formas. Por ejemplo, los objetos
eléctricamente cargados tienen energía potencial como resultado
de su posición en un campo eléctrico.
Un explosivo tiene energía potencial química que se transforma en
calor, luz y energía cinética al ser detonado. Los núcleos
de los átomos tienen una energía potencial que se transforma en
otras formas de energía en las centrales nucleares.
La energía mecánica se
debe no solamente al movimiento de un cuerpo, sino también a la
posición que este tiene en el espacio. Podemos decir que la
energía mecánica es la suma de la energía cinética
y la potencial.
.
Matemáticamente la situación
se describe del siguiente modo: debido a que el peso es una fuerza
conservativa, la energía mecánica no varia entre el punto mas
alto y el mas bajo.
Emarriba = Emabajo
La
energía eléctrica no se puede utilizar directamente a partir de
su manifestación espontánea en la Naturaleza. En la actualidad los medios usuales
de producirla son:
a) Centrales
Hidroeléctricas;
b) Centrales
Térmicas;
c) Centrales Nucleares.
Las
primeras utilizan la energía que se genera en los desniveles o saltos de
agua; en general se suelen obtener buenos rendimientos y precios bastante
bajos en la energía eléctrica así producida. En España, el carácter muy
accidentado de la orografía ha propiciado la obtención de
electricidad a partir de este tipo de centrales eléctricas. Así,
durante 1978 el 42% de toda la energía eléctrica producida en
nuestro país fue de origen
hidráulico.
No
obstante, dos de las condiciones exigidas para la instalación de
centrales hidroeléctricas - orografía accidentada y lluvias
regulares – constituyen insuperables dificultades allí donde no se
dan. Por ejemplo, años de escasez de
lluvias se traducen en drásticas bajas en la producción de
energía.
Los
otros tipos de centrales eléctricas ( térmicas
y nucleares ) basan su funcionamiento en el carbón o petróleo (
térmicas ) ó en el uranio ( nuclear ).
Cómo
es lógico, la rentabilidad de
unas y otras depende, en cada caso, tanto del precio de
construcción de la central como de la los precios corrientes de los
combustibles de los que se valen.
Uno
de los inconvenientes que suelen achacarse a este tipo de centrales es la contaminación ambiental que pueden ocasionar.
Tanto
las centrales térmicas de carbón y fuel-oil como la
mayoría de la nucleares, realizan una refrigeración de
agua, y en todos los casos se eliminan cantidades de vapor de agua por las
chimeneas. Este vapor de agua hace aumentar la temperatura y la humedad de los lugares
cercanos, por lo que se pueden operar cambios climáticos perjudiciales
en algunos casos.
Además,
en las centrales nucleares pueden darse otros problemas, tanto por los riesgos que
comporta la manipulación del Uranio ( extracción de la minas y
enriquecimiento ), como por los posibles fallos es los sistemas de
refrigeración, seguridad o
de control, así como por la dificultad de un eficazalmacenamiento y
posterior eliminación de residuos radiactivos.
Es la energía radiante producida en el Sol como
resultado de reacciones nucleares. Llega a la Tierra en
forma de radiación a
través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que
interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres.
La energía solar
es generada por la llamada fusión nuclear
que es la fuente de todas las estrellas del universo.
La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la
atmósfera, si se considera que la Tierra está
a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio
es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad
no es constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un periodo de 30
años.
La intensidad de
energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la
constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la
radiación que origina la interacción de
los fotones con la atmósfera.
La intensidad de energía solar disponible
en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero
predecible, del día del año, de la hora y de la latitud.
Además, la
cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la
orientación del dispositivo receptor.
El hombre puede transformar
la energía solar en energía térmica o eléctrica. En
el primer caso la energía solar es aprovechada para elevar latemperatura de
un fluido, como por ejemplo el agua. Y en el segundo caso la energía
luminosa del sol es transportada por sus fotones de luz,
incide sobre la superficie de un material semiconductor, ejemplo: el silicio
que forma las células fotovoltaicas,
fabricadas para que mediante de estas los colectores solares capten la
energía y puedan almacenarla en los acumuladores, produciendo el
movimiento de ciertos electrones que componen laestructura atómica
de la materia.
Un movimiento de
electrones produce una corriente eléctrica que se utiliza como fuente de
energía de componentes eléctricos o bien electrónicos. Es
el caso del principio de funcionamiento de las calculadoras solares.
Estas centrales de
energía solar están en todo el mundo. En latitudes de 60º, cada metro
cuadrado de un colector solar recibe unos mil.
La energía
térmica es la forma de energía que interviene en los
fenómenos caloríficos. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas
se ponen en contacto, el caliente comunica energía al frío; el
tipo de energía que se cede de un cuerpo a 
otro
como consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente la
energía térmica.
Según el enfoque
característico de la teoría cinético-molecular,
la energía térmica de un cuerpo es la energía resultante
de sumar todas las energías mecánicas asociadas a los movimientos
de las diferentes partículas que lo componen. La cantidad de
energía térmica que un cuerpo pierde o gana en contacto con otro
a diferente temperatura recibe el nombre de calor. El calor constituye, por
tanto, una medida de la energía térmica puesta en juego en los fenómenos caloríficos.
En el caso de los
fenómenos caloríficos la transferencia de energía
térmica se produce del cuerpo de mayor temperatura al de menor
temperatura. La temperatura puede ser asimilada por tanto al nivel de
energía térmica, y el calor puede ser comparado con la cantidad
de agua que un recipiente cede al otro al comunicarlos entre sí.
El
cuerpo de mayor temperatura poseerá moléculas con mayor
energía cinética que podrán ceder a las del cuerpo de
menor temperatura, del mismo modo que una bola rápida que choca con una
lenta la acelera; este tránsito de energía mecánica
microscópica, cuyo efecto conjunto es el calor, se
mantendrá en tanto aquéllas no se igualen.
Una de las fuentes de energía
más modernas y que sin lugar a dudas ha levantado más
polémica, es sin duda la energía nuclear. La energía
nuclear, tiene sus puntos positivos y negativos, pero ya lo veremos más
adelante.
En
la utilización de la energía nuclear, los neutrones
desempeñan un papel fundamental. La mayoría de los elementos no
son "puros", sino mezclas de átomos llamados isótopos.
Los isótopos de un elemento presentan un nº de neutrones distinto
del que posee el átomo común.
Sólo su peso los diferencia de este.
Otto Hanh
descubrió en Berlín que los átomos de Uranio se dividen
cuando se los bombardea con neutrones. El denominó este hecho como
Fisión.
Fréderic
Joliot-Curie, demostró posteriormente que en este proceso de
fisión quedan liberados neutrones del núcleo atómico;
estos se mueven en todas direcciones y algunos chocan con otros núcleos,
que se desintegran a su vez y vuelven a liberar neutrones.
Este proceso recibe
el nombre de reacción en cadena, y es la base de la obtención de
la llamada energía nuclear.
Se puede obtener
energía nuclear de dos formas diferentes, mediante FUSIÓN, y
mediante FISIÓN. La primera está en investigación, y se obtiene en
laboratorios, ya que se emplea más energía en la obtención
que la obtenida mediante este proceso, y por ello, todavía no es viable.
La fisión es la que se emplea actualmente en las centrales nucleares.
La primera
aplicación práctica fue la bomba atómica, en la cual se
liberó una energía de 12 kilotones (energía equivalente a
12.000 toneladas de explosivo TNT), destruyendo una ciudad entera. Esta es una forma
de liberación de energía de forma incontrolada. En las centrales
nucleares, el proceso está controlado, de forma que la energía no
sea gigantesca, ya que destruiría el reactor, y se transformaría
en una bomba atómica.
Tipos de energía nuclear:
Como hemos dicho
antes, hay dos formas de obtener energía en un proceso nuclear:
FISIÓN:
Es el utilizado
actualmente en las centrales nucleares. Cuando un átomo pesado (como por
ejemplo el Uranio o el Plutonio) se divide o rompe en dos átomos
más ligeros, la suma de las masas de estos últimos átomos
obtenidos, más la de los neutrones desprendidos es menor que la masa del
átomo original. Para romper un átomo, se emplea un neutrón
(ya que es neutro eléctricamente, y no es desviado de su trayectoria),
que se lanza contra el átomo a romper, por ejemplo, Uranio. Al chocar el
átomo queda sumamente inestable, dividiéndose en dos
átomos diferentes y más ligeros que el Uranio, desprendiendo 2
ó 3 neutrones (los neutrones desprendidos, dependen de los átomos
obtenidos), y liberando energía.
Estos neutrones,
vuelven a chocar con otros 3 átomos de Uranio liberando mas neutrones, energía y otros dos átomos
más ligeros, y así sucesivamente, generando de esta forma una
reacción en cadena.
FUSIÓN:
La fusión
nuclear, está actualmente en líneas de investigación,
debido a que todavía hoy no es un proceso viable, ya que se invierte
más energía en el proceso para que se produzca la fusión,
que la energía obtenida mediante este método.
La fusión, es un proceso natural en estrellas, produciéndose
reacciones nucleares por fusión debido a la elevadísima
temperatura de estas estrellas, que están compuestas principalmente por Hidrógeno y
Helio.
El hidrógeno,
se repele cuando intentas unirlo (fusionarlo) a otro átomo de
hidrógeno, debido a su repulsión electrostática. Para vencer esta
repulsión electrostática, el átomo de hidrógeno
debe chocar violentamente contra otro átomo de hidrógeno,
fusionándose, y dando lugar a Helio, que no es fusionable. La diferencia
de masa entre el átomo obtenido y el original es mayor que en la
fisión, liberándose así una gran cantidad de
energía (muchísimo mayores que en la fisión).
Estos choques
violentos, se consiguen con una elevada temperatura, que excita los
átomos de hidrógeno, y se mueven muy rápidamente, chocando
unos contra otros.
Ventajas de la Energía Nuclear:
La energía
nuclear, genera un tercio de la energía eléctrica que se produce
en la Unión Europea, evitando así, la emisión de 700 millones de
toneladas de CO2 por año a la atmósfera. A escala mundial,
en 1.996, se evitó la emisión de 2,33 billones de toneladas de
CO2 a la atmósfera, gracias a la energía nuclear.
Por otra parte, también se evitan otras emisiones de elementos
contaminantes que se generan en el uso de combustibles fósiles.
Los vertidos de las centrales
nucleares al exterior, se pueden clasificar como mínimos, y
proceden, en forma gaseosa de la chimenea de la central, pero se
expulsan grandes cantidades de aire, y poca de radiactividad; y en forma
líquida, a través del canal de descarga.
Por su bajo poder contaminante, las centrales nucleares, frenan la lluvia
ácida, y la acumulación de residuos tóxicos en el medio ambiente.
Además, se reducen
el consumo de las reservas de
combustibles fósiles, generando con muy poca cantidad de combustible
(Uranio) muchísima mayor energía, evitando así gastos en transportes, residuos, etc.
El
calor es una palabra que usamos muy a menudo en nuestra cultura pero rara vez
nos detenemos a pensar que significa realmente ;
¿Porque tenemos calor ? , ¿porque en verano
sentimos que el aire nos agobia ? La verdad es que sabemos muy o poco del calor
o de la energía calórica siendo que constantemente la estamos
utilizando o sintiendo siendo la energía que desprende una fogata , una estufa calentando la casa o un sartén
que se a puesto al fuego pero debemos diferenciar dos conceptos muy parecidos
pero diferentes :
Calor
y Temperatura.
La
temperatura es la forma que nosotros tenemos de identificar una cierta cantidad
de calor
Aparte
de esto hay respuestas a otras preguntas referentes a la dilatación de
sólidos y líquidos transmisión de calor o Calorimetria.
1.- Calor y Temperatura
1) Calor
: ¿ Que es ?
El
calor es la energía mecánica de las moléculas lo que no
tiene porque influir en su movilidad y fuerza de cohesión
2) Diferencia entre
temperatura y calor
Estos
dos conceptos suelen confundirse pero son muy distintos :
calor y temperatura. El calor es energía mientras que la temperatura
es laexpresión que este calor pueda tener;
ejemplo
: dos recipientes de distinto tamaño llenos de agua pueden tener el
mismo nivel , pero distinta cantidad de agua ,
algo
así ocurre con la temperatura ; ella puede tener la misma cantidad de
temperatura pero distinta cantidad de calor :
ejemplo
: mientras los dos recipientes pueden hervir a la misma temperatura el que
tenga mayor cantidad de agua tendrá mayor cantidad de calor.
3) El termómetro
Los
termómetros se construyeron para medir con precisión la
temperatura y para eso se utiliza una propiedad del calor :
La dilatación .
Siendo
que nuestro sentido del tacto fue nuestro primer termómetro este no es
muy preciso y fácilmente puede ser engañado .
Ejemplo : si se tienen tres recipientes con agua a
diferentes temperaturas ordenadas de menor a mayor de izquierda a derecha y se
introduce un dedo de cada mano en cada uno de los recipientes de los extremos (
frío y caliente ) ,
al
introducir ambos en el recipiente de mediana temperatura uno marcara
frío y el otro caliente .
Los
termómetros se construyen en base a esta propiedad ,
ya que el Mercurio ( metal liquido de uso habitual en la construcción de
estos ) se dilata fácilmente al recibir el calor del cuerpo .
Los
termómetros se pueden graduar en distintas escalas las mas conocidas son
las Celsius , Fahrenheit y Kelvin ( o absoluta ) y lo que
marque el termómetro será la temperatura dependiendo de la escala
en que este graduada .
2.- La dilatación
1) Dilatación de los
Sólidos : Dilatación lineal
Si
calentamos una varilla su longitud aumenta . Pero , ¿de que factores depende el aumento de longitud
?
1.1)
Dependencia de la temperatura
Si
le aplicamos aún varilla de hierro una temperatura X y luego aumentamos
esa temperatura a 2X veremos que la dilatación también a
aumentado al doble , entonces podemos decir :
Las variaciones de longitud son directamente
proporcionales a las variaciones de la temperatura .
1.2)
Dependencia de la longitud
Tenemos
que si la misma varilla aumentamos su tamaño al doble
, igual se cumpliría la proporcionalidad de las variaciones de
temperatura , pero que para una variación de temperatura igual el
volumen aumenta al doble .
1.3)
Dependencia del material
Ahora
usaremos una varilla de cobre . Encontraremos que
cumple con las variaciones anteriores , pero
además la varilla de cobre experimenta variaciones de longitud distintas
que la varilla de hierro .
2) Dilatación de los
Líquidos
2.1)
El agua no sigue reglas
Experiencia :
al llenar con agua un recipiente y enfriarla hasta los 0º C , pero sin que
el agua se solidifique . Luego calentemos y observemos el nivel del agua y midámoslo
con un termómetro . Veremos algo curioso : a partir de los 0º C , a medida que la
temperatura sube el agua no se dilata , por el contrario se contrae hasta los
4º C momento en que su comportamiento vuelve a ser normal : a mayor
temperatura mayor volumen .
2.2)
Máxima densidad del agua
En
toda la experiencia anterior la masa del agua no ha cambiado pero si su volumen
y su densidad . A menor volumen ,
mayor densidad . Por eso los 4º C son la temperatura mas densa del agua .
2.3)
El hielo es menos denso que el agua
Al
llegar a los 0º C , el agua esta a punto de
solidificarse y si se la enfría se transforma en hielo y en este estado
la masa del agua ocupa un volumen mayor , de modo que la densidad del hielo es
menor por lo que este flota en el agua .
3.- Medición del calor : La Calorimetria
La
unidad básica de cantidad de calor es la caloría
;
CALORIA :
Cantidad de calor que entregada a 1 gr. de agua eleva su temperatura en 1º
C . Su símbolo es la caloría y la kilocaloria (1000 calorías ) .
1)
Calor especifico
Si
al entregar a dos masas iguales de agua X caloría y a la otra 2X , la segunda tendrá el doble de temperatura que la
primera ; esto ocurre para todas las masas iguales de una sustancia cualquiera
.
Si
a dos masas de igual de una misma sustancia la primera logra X cantidad de
temperatura y la segunda 2X cantidad de temperatura quiere decir que a la
segunda se le entrego el doble de calor que la primera .
ENTONCES : Las cantidades de calor entregadas , o quitadas , a
masas iguales de sustancias iguales , son directamente proporcionales a las
variaciones de temperatura
Consideremos
dos recipientes con masas iguales de agua se les entrega a cada una una
cantidad de calor suficiente para que ambas experimenten el mismo aumento de temperatura . Observaremos que necesitaron cantidades de
calor directamente proporcionales con sus respectivas cantidades de masas de
agua ( esto ocurre con cualquier sustancia )
ENTONCES : Las cantidades de calor entregadas , o quitadas ,
a masas distintas de una misma sustancia para producir igual variación
de temperatura son directamente proporcionales a las masas .
De
las dos conclusiones anteriores si tenemos varios cuerpos de la misma sustancia
pero de masa distintas ( m , m' , m'' ) se les entregan cantidades de calor
distintas ( q , q' , q'' ) se producen aumentos de temperatura ( t , t' , t'')
tales , que las cantidades de calor están en proporción con los
productos de cada masa por su aumento de temperatura .
q :
m x t = q' : m' x t' = q'' : m'' x t'' = calor especifico de una sustancia ( c
) .
Este
valor representa la cantidad de calor que es necesario dar a un 1 gr. de una
sustancia para que su temperatura se eleve en 1º C .
2)
Cantidad de calor
La
cantidad de calor que un cuerpo recibe o cede se calcula multiplicando el calor
especifico por la masa y por la variación de temperatura
;o sea :
q = c x m x t
4.- Transmisión de
calor
El
calor pasa de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura .Si
dos cuerpos están a igual temperatura no pasa calor de uno a otro .
1)Formas
de transmisión del calor
1.1)Transmisión por convección
Si
se pone al fuego a un recipiente , el liquido de la
parte de abajo se calienta primero , su densidad disminuye y sube , desplazando
al mas frío que baja a calentarse ; así esto ayuda a que los
líquidos se calienten mas rápido .
1.2)Transmisión por conducción
Si
se sostiene una barra por un extremo y el otro se lo acerca a una llama vemos
que el calor se transmite por la barra sin ningún desplazamiento de
materia
1.3)Transmisión por radiación
El
calor del sol nos llega por medio de ondas electromagnéticas que se
propagan por el vacío , todos los cuerpos
transmiten
calor por radiación sea cual sea su temperatura .
conclusión
: Como hemos podido observar el calor influye en nosotros de otras maneras
aparte de la conocida sensación térmica , ya sea por
dilatación de los cuerpos , en que este calor es proporcional con la
masa o sea aumenta o disminuye junto a ella para lograr una misma temperatura
en los dos cuerpos o por su relevancia en los estados de la materia , algo
aprendido desde los primeros años de estudio ; pero además tiene
otras características como o la transmisión de este por distintos
medios y la medición de la energía calórica que se expresa
en Joules y su diferencia con la temperatura que se expresa en grados
representados por distintas escalas .
