La energía en nuestras vidas

Todas las actividades que realizamos necesitan que utilicemos energía. Esto incluye tanto la energía que consume nuestro cuerpo como resultado de nuestra actividad física y mental, que procede de los alimentos que consumimos, como la energía que aprovechamos cuando utilizamos máquinas o herramientas para realizar cualquier trabajo, para desplazarnos,...

La cantidad de energía que necesitamos para el funcionamiento de nuestro cuerpo ha sido la misma a lo largo de toda la historia: una persona necesita consumir la misma cantidad de alimentos en cualquier lugar, y esa necesidad ha sido la misma siempre, a lo largo de la historia, cambiando solo según el peso de la persona y su actividad física. En cambio, la cantidad de energía que aprovechamos del exterior de nuestros cuerpos, para usos domésticos, industriales o para el transporte, ha ido aumentando de forma constante a lo largo del tiempo.

Las sociedades humanas primitivas no utilizaban más energía que la que obtenían mediante los alimentos. La primera fuente de energía externa utilizada por el hombre fue el fuego, primero seguramente aprovechando incendios naturales y después provocándolo intencionadamente. Esto supuso la necesidad de buscar y conseguir madera para que pudiera ser quemada.

Más adelante, los primeros agricultores aprendieron a utilizar la energía que les proporcionaban los animales de carga y tiro.

Durante mucho tiempo el hombre solo fue capaz de utilizar máquinas relativamente simples, que le permitían aprovechar la energía que le proporcionaban los animales, el viento o el agua.

El gran salto en el uso de energía se produjo con la Revolución Industrial, que se produjo cuando se fabricó por primera vez un motor eficiente, movido por la energía producida al calentar agua hasta producir vapor. A partir de ese momento el consumo de energía por parte del hombre ha crecido de una manera acelerada, de modo que en la actualidad el consumo de energía por persona en una sociedad desarrollada puede alcanzar las 230.000 kilocalorías al día, frente a las 2.000 kilocalorías que son necesarias para la alimentación.

El aprovechamiento eficiente de la energía por parte de los seres humanos ha sido posible gracias al desarrollo de las máquinas. Una máquina es un conjunto de piezas o elementos cuyo funcionamiento permite modificar y/o utilizar fuerzas o energías. La utilidad fundamental de las máquinas es producir trabajo mecánico. El trabajo es una forma de transferir energía de un cuerpo a otro que va acompañada del movimiento de los cuerpos.

Las máquinas suelen clasificarse según el tipo de energía que pueden utilizar. Así nos encontramos con máquinas manuales, que utilizan energía procedente de los seres vivos, eléctricas, que emplean la energía que poseen las cargas eléctricas en movimiento, eólicas, que utilizan la energía del viento, hidráulicas, que aprovechan la energía del agua o térmicas, que usan la energía que se obtiene de la quema de combustibles.

Las fuentes de energía

Todos los cuerpos o sistemas tienen energía, pero eso no es suficiente para que nosotros podamos utilizarla. Para poder aprovechar la energía de un cuerpo deben cumplirse algunas condiciones: el cuerpo tiene que tener grandes cantidades de energía, y además tiene que ser energía "de calidad", es decir, una forma de energía que pueda utilizarse para aplicaciones diferentes.

Podemos comparar energía con la sal de las imágenes de arriba. En el primer caso, la sal está limpia, y en grandes cantidades, amontonada, como ocurre en las fuentes de energía: contienen energía de calidad, y en grandes cantidades. A la derecha, la sal está sucia, y distribuida por una zona amplia, como la energía en un cuerpo que no puede ser usado como fuente de energía.

Un sistema que posee cantidades considerables de energía de buena calidad es una fuente de energía. Cuando extraemos energía de una fuente, provocamos en ella dos cambios fundamentales: la dispersamos, es decir, la repartimos entre varios sistemas diferentes, cada uno de los cuales tiene menos cantidad de energía y hacemos que pierda calidad, es decir, la degradamos, con lo que resulta menos útil porque puede realizar menos trabajo. Esto supone que la fuente de energía se "agota". Presta atención a que la energía no se crea ni se destruye, sin embargo, al transferirla desde las fuentes de energía y transformarla sí podemos agotar su capacidad para proporcionar energía que nosotros podamos utilizar.

Este problema es mayor en unas fuentes de energía que en otras. Algunas fuentes de energía solo almacenan una cantidad limitada de energía, y no pueden recuperarse, o lo hacen después de que haya pasado un largo periodo de tiempo desde que se utilizaron. Por ejemplo, los combustibles fósiles, como el carbón o el petróleo, tardan cientos de millones de años en formarse, por lo que una vez que los hemos consumido es imposible esperar a que vuelvan a formarse para poder reutilizarlos. Este tipo de fuentes se llaman energías no renovables. Por el contrario, hay algunas fuentes de energía, por ejemplo el Sol, que almacenan una cantidad enorme de la misma. Esto hace que el tiempo en el que pueden agotarse sea extraordinariamente largo (se calcula que nuestro Sol se convertirá en una estrella roja dentro de unos 5.500 millones de años). También hay otras fuentes de energía que se recuperan a gran velocidad, por ejemplo la biomasa. Estas fuentes de energía se consideran energías renovables.

Sin embargo, que una fuente de energía sea renovable o no también depende del uso que hagamos de ella. Por ejemplo, es diferente que se tale un bosque completamente para obtener madera, lo que hará que no se recupere hasta unos 50 o 100 años más tarde, a que se poden las ramas de los árboles. De esta manera, la biomasa puede volver a crecer en apenas un año.

La energía química y la energía térmica

La energía química es la que los cuerpos almacenan en los enlaces entre los átomos que forman sus moléculas. En muchos casos, cuando se rompen esos enlaces la energía que almacenan puede pasar a otro sistema, de forma que podemos utilizarla.

Un ejemplo de utilización de la energía química son las pilas, o las baterías de los aparatos electrónicos. En su interior hay una sustancia química que al romperse produce una corriente eléctrica, lo que nos permite utilizar la energía de los enlaces. La diferencia entre una pila "normal" y una batería (que es, en realidad, lo mismo que una pila recargable) es que en las baterías es posible regenerar la sustancia que acumula la energía química al proporcionarle una corriente eléctrica.

Sin embargo, la forma más común de aprovechar la energía química que contienen algunas sustancias es mediante una reacción química llamada combustión, es decir, quemándolas.

La combustión es una reacción química que consiste en combinar algunas sustancias con el oxígeno, lo que produce grandes cantidades de energía que suelen desprenderse en forma de calor. La mayoría de las sustancias que se utilizan como combustibles tienen carbono, aunque también puede quemarse el hidrógeno.

Todos los combustibles que contienen carbono proceden de seres vivos, actuales o que vivieron en el pasado. Entre esas sustancias se pueden incluir las siguientes:

• Biomasa: se llama así a la madera o, en general, materia vegetal cortada en vivo, es decir, sin matar la planta que la produce. Es una energía renovable, porque la planta regenera las partes cortadas en un periodo corto de tiempo.
• Los combustibles fósiles son restos de organismos que vivieron hace cientos de millones de años, que se han transformado lentamente en materiales que pueden utilizarse como fuentes de energía no renovables. El carbón se formó a partir de los restos de plantas terrestres, mientras que el petróleo y el gas natural se han originado a partir de organismos marinos.
• Los nuevos combustibles son productos obtenidos a partir de seres vivos actuales o gracias a su actividad, por lo que constituyen una fuente de energía renovable. Son de dos tipos:
• Biodiesel: son aceites vegetales que pueden quemarse como combustible en motores diésel.
• Bioalcohol o bioetanol: es etanol, una sustancia producida por algunos microorganismos cuando se les alimenta con algunos vegetales. El etanol forma parte de las bebidas alcohólicas, pero si se purifica puede utilizarse como combustible para motores.

El hidrógeno también puede combinarse con oxígeno en una reacción de combustión, pero en la actualidad su uso plantea problemas técnicos para utilizarlo en motores de vehículos como coches, aunque sí se utiliza en cohetes. Una de las ventajas más importantes de su utilización es que el resultado de su combustión es vapor de agua, por lo que resulta menos contaminante que los combustibles fósiles.

La combustión se utiliza para obtener energía de formas diferentes. La más antigua, que ya no se emplea porque es poco eficaz, fue la máquina de vapor, que utiliza la combustión para calentar vapor. Su expansión permitía mover máquinas como las locomotoras de tren.

Los motores de combustión interna se utilizan en los vehículos a motor como motos, coches, barcos, aviones... En ellos la combustión produce gases que se expanden rápidamente, transformándose su energía química en energía cinética (mecánica), que a su vez se transmite al eje del motor, produciendo trabajo mecánico (movimiento).

Otra forma de aprovechar la energía presente en los combustibles fósiles es transformarla en energía eléctrica, lo que ocurre en las centrales térmicas. En ellas la energía liberada al quemar combustibles fósiles (carbón o gas natural) se emplea para calentar agua y transformarlo en vapor a presión. La velocidad que adquiere este vapor puede utilizarse para mover una turbina que, a su vez, impulsa un generador, produciendo energía eléctrica.

Los combustibles fósiles tardan cientos de millones de años en formarse, mientras que la mayor parte de sus reservas conocidas se han consumido en apenas 200 años. Resulta difícil predecir cuánto tiempo más durarán porque eso depende del ritmo al que se utilicen, de su precio, del descubrimiento de nuevos yacimientos... En todo caso, según algunas previsiones el petróleo podría agotarse en los próximos 50 años, mientras que las reservas de carbón durarían algo más, seguramente por encima de los 100 años.

Además de su agotamiento, que podría suponer un grave problema económico, el uso de los combustibles fósiles también supone importantes problemas ambientales:

• Los combustibles fósiles contienen, además del carbono, otros elementos químicos que también se combinan con el oxígeno, como el azufre y el nitrógeno. Esto provoca dos graves problemas de contaminación:
• Los óxidos de azufre y nitrógeno forman capas de niebla tóxicas en las ciudades (smog).
• Si se combinan con el agua, dan lugar a ácidos que pueden caer de nuevo a la superficie, en forma de lluvia ácida que puede dañar tanto a los seres vivos como al patrimonio cultural.
• Otras sustancias no pueden combinarse con el oxígeno, y siguen en estado sólido, dando lugar a partículas de pequeño tamaño que pueden ser arrastradas por el vapor de agua, formando humo que, en algunos casos, es tóxico.
• La combinación del carbono con el oxígeno da lugar a dióxido de carbono. El aumento de la concentración de este gas en la atmósfera hace que la energía solar que recibe la Tierra aumente más la temperatura del aire, con lo que se produce el efecto invernadero. La consecuencia probable de ese efecto invernadero es un cambio del clima de nuestro planeta, que puede tener efectos muy negativos en el futuro.

 La energía nuclear

Los núcleos de los átomos se mantienen unidos gracias a que entre ellos actúan las fuerzas nucleares, mucho más intensas que la gravitatoria o la electromagnética. Algunos de esos núcleos, sin embargo, son inestables, y pueden llegar a romperse liberando grandes cantidades de energías. En otros casos, la rotura de los núcleos puede provocarse artificialmente, al bombardearlos con neutrones.

En las centrales nucleares se aprovecha la energía liberada por los núcleos atómicos para calentar vapor de agua. Como ocurre en las centrales térmicas, la energía mecánica de ese vapor se utiliza para producir electricidad mediante una turbina y un generador.

La energía nuclear es una fuente de energía no renovable: solo algunos elementos químicos pueden descomponerse, y una vez que lo han hecho no se regeneran. Además, puede provocar graves problemas de contaminación radiactiva. Aunque se supone que los accidentes en las centrales nucleares son muy poco probables, ya han ocurrido dos de mucha gravedad: en 1986 explotó la central de Chernobyl, en Ucrania, provocando una nube radiactiva que afectó a gran parte de Europa. Actualmente una parte considerable de Ucrania sigue estando contaminada por readiación. En el año 2011 la central de Fukushima, en Japón, fue afectada por un maremoto, lo que produjo la fusión de su núcleo, y el vertido de materiales radiactivos al mar, que sigue produciéndose en la actualidad.

Pero aunque no se produzcan accidentes, la energía nuclear provoca un importante problema ambiental: los residuos radiactivos. Al utilizar el material radiactivo éste se transforma en otros elementos que no tienen la suficiente radiactividad como para poder seguir utilizándolos como combustible en las centrales, pero que siguen siendo peligrosos. En ocasiones, esta peligrosidad dura, incluso, miles de años. Esos residuos deben ser almacenados en instalaciones especiales donde no supongan un riesgo excesivo para la población.

Energía hidráulica

En este caso se aprovecha la energía mecánica de un volumen de agua, trasformándola en energía eléctrica por medio de una turbina que mueve, de nuevo, un generador eléctrico.

Existen dos tipos de centrales hidroeléctricas: las que aprovechan directamente el movimiento del agua, porque están situadas en ríos rápidos, generalmente de montaña, y las que acumulan el agua tras una presa para conseguir que ésta tenga energía potencial, que luego se transformará en energía cinética.

La energía hidráulica es una forma de energía renovable, ya que finalmente procede del Sol, que mueve el ciclo del agua. No es contaminante, aunque tiene algunos problemas ambientales: inunda zonas alrededor del río, altera los ecosistemas fluviales y modifica la cantidad de sedimentos que lleva el río, lo que altera el funcionamiento de los ecosistemas que se encuentran desde la presa hasta la desembocadura del río.

Energía eólica

La eólica es también una energía renovable, que procede del Sol: el viento se debe a la diferencia de temperatura que se establece entre diferentes zonas de la superficie terrestre. La energía mecánica (cinética, porque se debe a su movimiento) que tiene el viento se utiliza para mover una turbina que acciona un generador eléctrico.

La energía eólica no produce sustancias contaminantes. Sus principales impactos ambientales son la alteración del paisaje, el daño a las aves y el ruido que producen los aerogeneradores.

Energía solar

El Sol proporciona a la Tierra una gran cantidad de energía que llega hasta nosotros en forma de radiación electromagnética. Gracias a esto se acumula energía en muchas de las fuentes que podemos utilizar: la energía hidráulica, la eólica o la biomasa, pero la energía solar también es la responsable de la formación de los combustibles fósiles.

El hombre también ha aprendido a utilizar directamente la energía solar, de dos formas diferentes: aprovechando el incremento de temperatura que la energía del Sol produce cuando la luz choca contra los objetos (energía solar térmica) o transformándola en energía eléctrica mediante placas solares (energía solar fotovoltaica).

La energía solar puede utilizarse directamente, sin ningún tipo de transformación, para calentar agua que puede añadirse al circuito de calefacción o de agua caliente sanitaria de una casa. Para ello se utiliza un captador, que consiste simplemente en una caja negra, para absorber la mayor cantidad de luz posible, protegida por un cristal y por el interior de la cual circula agua a través de una tubería. Este tipo de instalaciones pueden hacerse en los tejados de las casas, lo que ayuda a reducir el gasto energético para calentar el agua.

Otra forma distinta de aprovechar el calor del Sol es transformándolo en energía eléctrica. Para ello es necesario concentrarlo mediante espejos, hasta que sea suficiente como para calentar agua hasta convertirla en vapor a alta presión. Esto hace que el vapor adquiera energía mecánica (cinética) que puede utilizarse para mover una turbina y producir electricidad por medio de un generador. Este tipo de instalaciones necesitan un gran número de horas de sol al año y grandes superficies de espejos.

Un tercer modo de utilizar la energía solar es mediante placas solares. En este caso la luz del Sol arranca electrones de ciertos tipos de sustancias, y dichos electrones pasan a moverse por un cable conductor de la electricidad, con lo que tenemos una corriente eléctrica. Las placas solares fotovoltaicas pueden instalarse en los tejados de las casas, proporcionando una parte de la energía eléctrica que se consume en ellas, o utilizarse en mecanismos más pequeños, para reducir el consumo que necesitan. También se utilizan grandes extensiones de placas solares para producir electricidad que se incorpora a la red eleéctrica.

Materia y energía

Los seres humanos somos capaces de percibir y comprender la realidad que nos rodea. La percibimos gracias a nuestros sentidos, o a herramientas construidas por nosotros que los complementan, pero para comprenderla necesitamos establecer "categorías" o "clases" que nos permitan relacionar lo que observamos. Para hacerlo, para clasificar la realidad, necesitamos prestar atención a las propiedades o cualidades de lo que hemos observado. Clasificar es, precisamente, repartir los objetos en clases según sus propiedades.

Al observar lo que nos rodea hemos clasificado los elementos que somos capaces de percibir en diferentes categorías generales: todo lo que podemos percibir pertenece a una de esas grandes categorías, que son la información, el tiempo, el espacio, la materia o la energía.

La materia es todo lo que forma la realidad que percibimos, mientras que el resto de las categorías guardan algún tipo de relación con ella. Las características fundamentales que nos permiten asegurar que algo que observamos es materia son las siguientes:

• Tiene dimensiones, es decir, ocupa un lugar en el espacio y en el tiempo.
• Tiene inercia, se resiste a cambiar su estado de reposo o de movimiento.
• Es la causa de la gravitación: cualquier trozo de materia atrae hacia sí a toda la materia.

Nosotros podemos captar mediante nuestros sentidos o instrumentos todas esas propiedades (es decir, las percibimos), pero también podemos medirlas. Esto nos permite estudiar la materia en profundidad.

La materia forma objetos o cuerpos, que son fragmentos limitados de materia que ocupan un cierto volumen y tienen una cierta masa.

Otra característica de la materia es que está formada por la unión de fragmentos muy pequeños, de forma que nosotros podemos ir rompiendo un cuerpo obteniendo cuerpos cada vez más pequeños, hasta llegar a las unidades mínimas que forman la materia, que ya no se pueden seguir dividiendo.

Las propiedades de la materia

Cuando estudiamos la materia podemos distinguir dos grandes tipos de propiedades diferentes: las propiedades generales son similares para todos los tipos de materia, de forma que no permiten diferenciar una clase de materia de otra, mientras que las propiedades intrínsecas son propias de cada tipo de materia y nos permiten distinguir unas sustancias de otras. Las propiedades de la materia pueden ser extensivas, si dependen de la cantidad de materia que tenemos (por ejemplo el volumen o la masa), o intensivas, si no dependen de la cantidad de materia, como el punto de fusión o la densidad.

Todas las propiedades de la materia pueden ser distinguidas cualitativamente, es decir, podemos encontrar alguna forma de observar esa propiedad de forma separada a las demás propiedades del cuerpo. Algunas de ellas, además, también pueden ser cuantificadas, es decir, pueden medirse. Las propiedades de la materia que pueden ser distinguidas y medidas se llaman magnitudes físicas. Cuando se mide una magnitud lo que se hace es comparar el valor de la propiedad con un valor que consideramos la "unidad" de esa propiedad, por lo que siempre que se expresa la medida de una magnitud física hay que indicar la unidad en la que se ha medido.

Cuando se hacen operaciones matemáticas con magnitudes físicas no solo hay que tener en cuenta las cantidades que se han medido, sino también las unidades que se utilizan. Las magnitudes siempre tienen que indicar la unidad en la que van expresadas. No se puede decir que un objeto mide 5, o pesa 10; hay que dejar claro en qué unidad hemos medido la magnitud (5 metros, o 10 kilogramos).

Las propiedades diferentes no pueden sumarse ni restarse, y las magnitudes en las que se miden tampoco. Pero tampoco pueden sumarse o restarse cantidades de la misma magnitud que están medidas en unidades diferentes; por ejemplo, no podemos sumar longitud y masa, ni tampoco 2 km y 50 cm, o 4 km y 2 millas, aunque en estos dos últimos ejemplos todas las medidas correspondan a la misma magnitud, la longitud.

Si queremos sumar o restar cantidades de la misma magnitud expresadas en diferentes unidades, hay que empezar por transformarlas, expresándolas en la misma unidad, antes de sumarlas. Para multiplicar o dividir cantidades de la misma magnitud también hay que expresarlas antes en la misma unidad.

En cambio, es posible multiplicar o dividir entre sí cantidades de magnitudes diferentes. Al hacerlo, ponemos en relación esas dos propiedades y obtenemos otra diferente, que se mide en unas unidades distintas. Al multiplicar o dividir magnitudes también se multiplican o se dividen entre sí sus unidades.

Para hacer cálculos con unidades distintas de la misma magnitud hay que transformar unas unidades en otras. Para hacerlo, se multiplica la cantidad que nos dan, en su unidad correspondiente, por una fracción llamada factor de conversión que indica la relación entre las dos unidades.

Cambios

Un cambio es una modificación en las propiedades de un cuerpo. Los cambios físicos se deben a que los objetos se relacionan entre ellos, interactuando. Es decir, si dos objetos interactúan, cada uno de ellos produce un cambio en el otro. Los diferentes tipos de interacción que se dan entre los cuerpos se llaman fuerzas, y existen varias clases de ellas:

• Fuerza gravitatoria: es la atracción entre todos los cuerpos debida a que tienen masa.
• Fuerza electromagnética: se debe a la atracción o la repulsión entre cargas eléctricas, quietas o en movimiento.
• Fuerzas nucleares: son las que mantienen unidas las partículas que forman los núcleos de los átomos.

Siempre que ocurre un cambio se produce un paso de energía de un cuerpo a otro, de forma que el cuerpo que tiene más cantidad de energía le cede una parte al otro.

Los cambios que sufren los cuerpos pueden ser de distinto tipo:

• Cambios fisicos: se modifican las características de los objetos, pero las sustancias que los forman siguen siendo las mismas, porque cambian las propiedades de los cuerpos o de las moléculas, pero no las propias moléculas. Incluyen modificaciones en la posición que ocupan los cuerpos, su movimiento, su forma o el grado de unión entre las moléculas que los forman.
• Cambios químicos: alteran las moléculas que forman el cuerpo, haciendo que unas se transformen en otras, pero no cambian sus átomos.
• Cambios nucleares: hacen que unos átomos se transformen en otros.

 

La energía

La energía es una propiedad abstracta de los cuerpos o sistemas materiales. Toda la materia tiene siempre una cierta cantidad de energía, pero no toda la energia puede ser observada en todo momento sino que se aprecia cuando se produce cualquier tipo de transformación o cambio.

Hay otra forma de ver esta relación entre energía y cambios: todos los cambios que ocurren en el universo necesitan que se produzcan intercambios de energía entre sistemas materiales.

La energía es una magnitud física que se puede medir. La unidad de energía en el sistema internacional es el Julio, aunque también es bastante habitual utilizar la caloría.

Propiedades de la energía

• La energía no puede crearse ni destruirse.
• Puede aparecer en distintas formas (energía eólica, hidráulica, química...), cada una de las cuales se relaciona específicamente con un tipo concreto de cambios.
• Las diferentes formas de energía pueden transformarse entre sí.
• La energía puede pasar de unos sistemas a otros, siempre en la misma dirección: desde el sistema que tiene más energía hacia el que tiene menos.
• Cada transferencia de energía, o cada transformación de una forma de energía a otra, supone que una parte de esa energía se transforme en calor, que pasa al entorno que rodea al cuerpo. El calor es una forma degradada de energía.

Al decir que cada forma de energía se relaciona con un tipo concreto de cambios se quiere decir que cada forma de energía puede utilizarse en algunas transformaciones, pero no en otras. Por eso se habla de que la energía puede tener más o menos "calidad". El calor es la forma más degradada de energía porque es la que puede provocar menos tipos de cambios, y por lo tanto la que resulta menos útil al tratar de aprovecharla.