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¿Qué es la energía?
Su semántica alude a la capacidad de trabajo. Se entiende entonces por energía a la existencia de una fuerza capaz de generar una acción, de ejecutar un trabajo capaz de movilizar, transformar o mantener funcionando a un objeto.
La energía, en síntesis, es una propiedad que le permite a cualquier cuerpo ejecutar un trabajo determinado.
En la Física se asocia con la capacidad que tiene cualquier cuerpo de producir o realizar un trabajo, un movimiento o una acción.
¿Dónde se encuentra la energía?
En nuestra día a día, está presente la energía de muchas formas.
Inclusive, cuando nosotros, los seres humanos ejecutamos actividades tan cotidianas como respirar, alimentarnos, hacer ejercicios o estudiar, muchas veces no somos capaces de advertir a, conciencia plena, los variados procesos de transformación de energía involucrados en las actividades que realizamos a lo largo de nuestra vida.
Tampoco están exentos el resto de seres vivos que habitan el planeta. Podemos identificar muchas formas de energía a nuestro alrededor.
O la energía solar, presente en el proceso de fotosíntesis que desarrollan todas las plantas cuando convierten la energía solar en energía química, con ayuda de agua y dióxido de carbono (CO2).
Otra manifestación de energía, denominada cinética, la comprobamos cuando vamos en un vehículo en marcha y de pronto el conductor activa los frenos. En ese instante, sentimos el empuje del movimiento cinético que traía nuestro cuerpo antes del frenazo.
¿Cómo se genera energía?
Y a nivel químico, la energía también está presente cuando quemamos un trozo de madera, o cuando descomponemos el agua mediante corrientes eléctricas.
Todo cuerpo material, cuando pasa de un estado a otro, genera fenómenos físicos con representación de alguna transformación de la energía presente.
¿Cuáles son las propiedades y características de la energía?
La termodinámica, rama de la Física que estudia cómo la energía crea o genera movimiento, establece en la Ley de conservación de la energía, un principio básico fundamental que reza lo siguiente: “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”.
Dicho de otra forma, podemos afirmar que la energía puede transformarse de una forma a otra o transferirse de un cuerpo a otro, pero permanece en su conjunto estable.
También es bueno aclarar que la energía no tiene peso, forma, color ni olor. Pero veamos cuáles son las características más importantes de la energía:
- Se conserva. Esta característica esencial llamada principio de la conservación de la energía, implica que la energía permanece constante cuando pasa de un cuerpo a otro, pero no se crea ni se destruye.
- Se transforma y presenta de muchas formas, que incluso, pueden cambiar entre ellas. El caso de la energía química de una batería de celular que se convierte en energía eléctrica es muy clarificador de esta cualidad.
- Se transporta. Esto, por ejemplo, ocurre cuando movilizamos combustibles fósiles por tuberías (petróleo) o usamos tendidos eléctricos para transportar la electricidad.
- Se almacena. Puede mantenerse en baterías o en pilas.
- Se transfiere, cuando por ejemplo, la pasamos de un cuerpo a otro al mezclar agua caliente con agua fría.
- Se degrada, porque una vez que se utiliza ya no puede aprovecharse más. Al usarse en determinada transformación pierde parte de su utilidad, pierde calidad.
- No puede aparecer ni desaparecer, pero si cambia de cuerpo o forma.
Cómo se manifiesta la energía
La energía puede manifestarse en en tres grandes grupos:
Energía potencial
Otros casos de energía potencial lo tenemos en la energía potencial elástica de un resorte comprimido; o en la gravitatoria presente en las masas de agua de una central hidroeléctrica.
Asimismo, cuando encendemos una hornilla de gas natural para calentar agua en una cocina doméstica, ocurre una liberación de energía almacenada en el combustible que usamos para transmitir energía calórica al agua y provocar el alza de la temperatura.
Energía cinética
Igualmente, poseen energía cinética las masas de vapor que mueven generadores de electricidad en centrales eléctricas, termoeléctricas y electronucleares.
Energía radiante
Una fuente de energía se produce cuando un sistema, al interactuar con otros, cede o entrega parte de su energía a través del calentamiento o radiación. Otro ejemplo típico de esta energía que cada vez se expande más en su utilización, es la energía solar fotovoltaica, la solar térmica, la eólica, entre otras.
Energía térmica
La energías térmica es la energía interna de un cuerpo y se manifiesta siempre en forma de calor. Y es que en todos los elementos, los átomos que conforman las moléculas se encuentran en permanente movimiento o vibración.
Con ayuda del astro Sol obtenemos energía térmica en abundancia.
Energía eléctrica
La energía eléctrica se produce por el movimiento de cargas eléctricas en el interior de materiales conductores. Se manifiesta con los siguientes efectos: lumínico, térmico y magnético.
En la actualidad, la energía eléctrica se obtiene mayormente en centrales termoeléctricas donde se queman combustibles fósiles como carbón o petróleo, generando calor, pero también mucha contaminación.
Energía química
La energía química se produce cuando una sustancia de naturaleza química experimenta una transformación causada por una reacción también de tipo química.
Cuando se forman o rompen enlaces químicos, está implícita la presencia de energía que puede ser absorbida o evolucionar hacia otro sistema.
Se almacena en la materia, debido a la composición de su estructura interna. Los alimentos, combustibles fósiles y algunos materiales, como madera y el carbón, tienen energía química. Esta puede ser liberada en una reacción química.
Las pilas o baterías son los elementos más conocidos donde se almacena energía química, la cual permite que se obtengan movimientos mecánicos o eléctricos.
Energía lumínica
Tiene varias formas de manifestarse: se comporta como una onda, como si fuera materia, o es capaz de arrancar electrones de los metales. Sin embargo, lo más común o normal es que se manifieste como una onda.
En síntesis, la energía lumínica se considera una forma de energía electromagnética, pero no debe confundirse con la energía radiante, ya que sus longitudes de onda no comparten igual energía.
Energía radiante
Su característica primordial es que se propaga en el vacío, sin que requiera soporte o ayuda alguna y se transmite en unidades denominadas fotones.
Energía sonora
Energía nuclear
La energía nuclear o atómica es la energía almacenada en el núcleo de los átomos, la cual se libera gracias a una reacción físico-química donde se parte el núcleo de un átomo, obteniéndose con esta operación una gran cantidad de energía.
Esta energía trabaja en las reacciones nucleares de fisión y de fusión.
Cómo funcionan las centrales nucleares (de forma muy básica)
- Las centrales nucleares producen electricidad aprovechando la energía que desprenden los átomos de uranio, proceso que provoca una fisión al ser bombardeados con neutrones.
- El uranio es un mineral presente en la naturaleza. Posee tres tipos de isótopos, uno de los cuales, el U-235 es inestable y de una ínfima proporción de 0,71 %. Se usa para generar electricidad mediante la llamada fisión nuclear.
- Pero como la proporción del llamado uranio U-235 para generar electricidad es muy pequeña, se somete antes a un proceso de enriquecimiento muy costoso.
Cómo funciona la fisión
- La fisión produce calor, porque la temperatura se eleva hasta 325 °C, con el objetivo de convertirse en vapor.
- Este vapor pasa a través de un intercambiador que transfiere el calor a una reserva de agua que se devuelve otra vez al reactor en forma líquida. Esta agua de la llamada reserva se convierte en vapor, pasa por una tubería y mueve una turbina, que a su vez acciona un alternador que produce la energía eléctrica.
- Con la ayuda de un transformador la corriente aumenta de 25.000 a 400.000 voltios, antes de ser enviada a la red eléctrica para su distribución en hogares y fábricas.
- Dentro del reactor, se instalan barras de control a base de carburo de boro que impiden un número indiscriminado de fisiones, para evitar que el recipiente explote.
Otra forma de aprovechamiento, se obtiene mediante reacciones de fusión nuclear. Aquí el proceso es inverso porque se fusionan dos núcleos diferentes que conforman un único núcleo atómico.
¿Qué tipos de energía hay?
Hay diversos tipos de energía, analizadas en el campo de la Física, Química y de la Tecnología. Algunas de las más importantes son las siguientes:
- Energía cinética: es la energía de un cuerpo en movimiento causado por la velocidad.
- Energía potencial: es la energía de un cuerpo en función de la posición que ocupa en un sistema determinado.
- Energía mecánica: es producto de la combinación de la cinética y la potencial.
- Energía electromagnética: está conformada por la energía radiante, calórica y eléctrica.
- Energía nuclear o atómica: es la energía generada gracias a la desintegración de los núcleos de los átomos.
- Energía de ionización: es la energía necesaria para ionizar un átomo o molécula, usada en la Química, junto a la energía de enlace, almacenada en los enlaces químicos de un compuesto.
En el ámbito de la tecnología, la energía se asocia a un determinado tipo de recurso natural y la tecnología que se utiliza para extraerla, transformarla y darle un uso industrial para que genere desarrollo económico. Dentro de esta área, tenemos dos grandes grupos de energías:
Energías renovables
Provienen de fuentes naturales disponibles, como la energía eólica, originada por la acción del viento.
O la energía solar, disponible actualmente en muchos hogares para hacer uso de la electricidad, gracias a la instalación de placas solares recargables. También se ha desarrollado mucho la energía hidráulica, a partir del recurso hídrico, o la atómica.
La mayor ventaja comparativa que tienen las energías renovables es que NO ocasionan daños en el medio ambiente.
En países industrializados (especialmente europeos) se aprecia una creciente preocupación por el uso de tecnologías basadas en el uso, por ejemplo, de la energía solar, así como la producción creciente de vehículos eléctricos para reducir emisiones contaminantes.
Energías no renovables
Las energías no renovables aunque igualmente han contribuido de forma sustancial a mejorar las condiciones de vida de los países, también es verdad que generan, al mismo tiempo, daños en muchas ocasiones irreversibles al medio ambiente.
Y aun cuando se apliquen inclusive tecnologías avanzadas para proteger a la madre Tierra durante los procesos de exploración, extracción y refinación de petróleo, en su composición físico-química están presentes agentes altamente tóxicos o contaminantes que generan daños gravísimos al hábitat, que comprometen la existencia misma de la humanidad entera.
Por ello, urge sustituir al petróleo como fuente principal energética que mueve la economía mundial.
¿Cómo se manifiesta la energía?
La energía se puede manifestar de diversas maneras. Veamos las más relevantes. Estas son:
¿Cómo podemos almacenarla?
Hoy día, nada más en las ciudades europeas, se consume el 70 por ciento del total disponible de energía para todo el continente. Por ello, se impone la creación y uso de tecnologías innovadoras capaces de recoger y almacenar la energía sobrante.
En ese sentido, podemos contar al menos con 8 tipos distintos de eficaces almacenamientos de energía.
Almacenamiento solar en casa
Pero lo más importante es que el usuario no recurre a fuentes tradicionales de energías, contribuyendo así en forma decisiva a proteger al medioambiente, al ayudar a reducir el calentamiento global.
Actualmente, se aprecia que en las nuevas construcciones de edificios también se está incentivando el uso de energías alternativas donde se promueva el uso CERO de energía eléctrica.
Estas últimas baterías nos conceden la ventaja de utilizarlas cuando queramos, e inclusive cuando los paneles solares no están obteniendo energía proveniente del sol.
También en el mercado se consiguen “kits” solares básicos, de bajo coste y que no contienen baterías, pero no son aptos para el autoconsumo eléctrico.
Del mismo modo, puede instalarse la combinación de un sistema mixto fotovoltaico y eólico, con el uso de paneles solares con baterías y aerogeneradores, donde cada uno cuente con su regulador de carga en forma independiente o separada.
Hidrógeno
El hidrógeno generado se almacena en contenedores especiales donde se conserva perfectamente bien durante largo períodos y también puede aprovecharse en plantas de generación a gas, para producir electricidad, cuando no sople el viento, o para proveer a los automóviles de combustibles.
Aire comprimido
Supercondensadores
Son dispositivos capaces de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica en forma de cargas electrostáticas, que pueden cederse o entregarse cuando sea requerido.
Volantes de inercia
Se trata del uso de un disco metálico que gira cuando se le aplica un par motor. Al dar vueltas y vueltas, se le intenta frenar con un par resistente, acción que permite conservar la emergía en forma mecánica-cinética.
Baterías de Litio
Pueden recargarse en lapsos breves y son capaces de almacenar energía durante varias horas.
Son ideales para hogares, comercios pequeños y son estratégicas como fuente de alimentación de reserva en fábricas. También se usan en dispositivos móviles y en los autos eléctricos, tan de moda en Europa por estos tiempos.
¿Cuál es la medida de la energía?
La medida universal es el Julio (J) definida por el Sistema Internacional de Unidades (Newton x metro).
Sin embargo, es bueno aclarar que con el pasar del tiempo han aparecido otras unidades de energía como la caloría (cal) o el kilovatio-hora (Kwh) las cuales se relacionan de la siguiente forma:
- 1 J =0.24 cal.
- 1 cal=4,18 J
- 1kJ=1.000 J
- 1kcal=1.000 cal
¿Por qué necesitamos energía?
El ser humano
En el caso de los seres humanos, la energía se entiende como la cantidad necesaria de calorías presentes en los alimentos que nos ayudan a desempeñar actividades variadas para alcanzar un excelente desempeño o rendimiento. A esto lo conocemos como energía basal.
Sin los nutrientes presentes en los alimentos (vitaminas, minerales, proteínas, carbohidratos, lípidos y agua), el organismo decae, se debilita y perece.
Los seres humanos somos capaces de transformar varios tipos de energía en forma constante.
De esta forma, el organismo asimila toda la energía que necesita, gracias a este fenómeno de oxidación en las proteínas, lípidos, grasas y azucares que contienen los alimentos.
El cuerpo humano, incapaz de autoalimentarse, funciona como una máquina bioquímica, donde ocurren diversas transformaciones de energía que responden a las leyes de la termodinámica.
Y con la ayuda de 4 grandes procesos, la nutrición cumple el cometido de llevarle energía a nuestro cuerpo con la ayuda de la ingesta de alimentos.
Estos procesos son:
La digestión
Provee de las enzimas y jugos digestivos que permiten la adecuada absorción de nutrientes requeridos.
La circulación
El llamado sistema circulatorio tiene como función primordial pasar nutrientes tales como aminoácidos, electrolitos, gases, hormonas y células sanguíneas, a todas las células del cuerpo.
También recoge desechos metabólicos que se eliminan después a través de la orina, con ayuda de los riñones y por el aire que expelemos de los pulmones.
La respiración
Es vital porque proporciona el oxígeno que necesitamos.
Al respirar, las células toman oxigeno del aire y al mismo tiempo expulsan dióxido de carbono que las plantas verdes toman para cumplir la fotosíntesis que da vida a todo el planeta, porque gracias a este proceso fabrican el oxígeno que consumen todos los seres vivos.
Nuestras células queman la materia orgánica contenida en los alimentos (glucosa y grasas) de forma tal que puedan ejecutar sus funciones. La energía química se almacena en moléculas especiales denominadas ATP. A esto se le llama respiración celular.
La excreción
Es la función que permite eliminar desechos del organismo, a fin de mantener el equilibrio interno. Las principales sustancias de desecho que los seres vivos liberan son el dióxido de carbono, el agua y el amoniaco. Este último se origina cuando se degradan las proteínas.
Pero todo organismo vivo necesita de energía para sobrevivir. En la Tierra, la sabia naturaleza se encarga de suministrar energía a todas las criaturas, con la ayuda de diversos mecanismos que jamás dejarán de sorprendernos: fotosíntesis; respiración y quimiosíntesis.
Este proceso químico le permite a las plantas sobrevivir y dar vida a terceros. Sin ellas, las verdes y frondosas plantas, no existiría la vida como se conoce en el planeta.
La respiración es el proceso contrario de la fotosíntesis, donde animales y otros heterotrófos se valen del oxígeno y los azúcares para mantenerse vivos, proceso que le proporciona energía bioquímica.
El dióxido de carbono y agua son productos de desecho expelidos igualmente en la respiración de cualquier ser vivo.
La sociedad
Como veremos a continuación con un poco de historia, el ser humano en sociedad siempre ha hecho uso de la energía como fin para lograr mejorar su calidad de vida.
La mayoría de las veces no lo ha conseguido. De hecho, se ha logrado el efecto opuesto. El empeoramiento de la calidad de vida.
Un poco de historia sobre la energía ¿quién y cómo se descubrió?
Los primeros seres humanos
Cuando en épocas remotas nuestros ancestros descubrieron los usos y controles adecuados del fuego, comenzaron a producirse grandes avances que cambiaron la forma de vida de estos moradores.
Inicialmente, fue usado en fogatas para calentarse cuando arreciaban las bajas temperaturas y después se empleó cotidianamente para cocinar alimentos que garantizaran la supervivencia de todas las etnias.
Como por ejemplo, cocinar la carne y poder alimentarse con mayor seguridad de este alimento de alta densidad nutricional.
En la era Neolítica, los seres humanos aprendieron a cultivar plantas y domesticaron animales para proveerse de sustento y abandonar la vida errante, de nómadas (cazadores recolectores).
Así las cosas, se produjo a posteriori el desarrollo de la alfarería y la metalurgia, así como la combustión de madera y carbón vegetal en forma intensa.
La rueda y la vela para los barcos
Un hito de mayor relevancia ocurrió hacia el año 3500 a.C, cuando se inventó la rueda y después la vela, para facilitar el transporte en tierra y mar.
A este descubrimiento se sumó otra fuente de energía vital: el uso de la fuerza de los animales como medio de transporte y movilización de objetos y, más adelante, se desarrolló la energía hidráulica con la invención de algunas máquinas para moler cereales.
La Edad Media
Y en la Edad Media, molinos hidráulicos y de viento, de positiva invención, igualmente ayudarían a multiplicar el consumo de alimentos extraídos de grandes sembradíos, porque servían para moler cereales y bombear agua.
Igualmente, sobrevino la proliferación del uso de carbón como fuente de energía por combustión, en franca competición con el uso de la madera.
Y ya hacia finales de esta época, los chinos inventaron la pólvora, de gran poder destructivo, grandes reservas de energía química.
La máquina de vapor y la revolución industrial
La invención de la máquina de vapor, a finales del siglo XVII, trajo consigo mucho progreso y sostén principal de la llamada Revolución Industrial, porque sus aplicaciones en el desarrollo del comercio marítimo mundial y el uso del ferrocarril como medio de transporte.
Determinaron cambios decisivos que abrieron el camino hacia la aplicación de tecnologías cada vez mejores, cuyos cambios han permitido aprovechar de forma más eficaz las distintas energías disponibles que mueven la vida moderna de hoy, gracias a los aportes de disciplinas claves como la Física y la Química para el desarrollo de los pueblos.
Hasta mediados del siglo XIX la combustión de la madera, fue pilar fundamental de este desarrollo, hasta que con la aparición de los llamados combustibles fósiles, primero con el uso del carbón y después con el petróleo, la energía cambió su patrón de origen hasta nuestros días, donde el protagonismo perdura a costa del deterioro ambiental.
La electricidad y el electromagnetismo
La aparición de la electricidad y el electromagnetismo, también fueron hitos clave para la transformación de la energía eléctrica en mecánica.
Esto permitió que llegaran los primeros motores de corriente eléctrica continua y alterna, el transporte de la electricidad y la continuidad de la iluminación en ambientes internos y en exteriores, como alumbrados públicos en vías de comunicación.
Pero gracias a la inventiva de Nikolaus August Otto, a finales del siglo XIX, irrumpió el motor de combustión interna que pondría en primer plano la demanda de petróleo para el uso de combustibles, dejando en el olvido al carbón, junto a una mayor demanda de energía eléctrica producida en centrales térmicas e hidroeléctricas.
La energía atómica: siglo XX
A comienzos del no tan lejano siglo XX, se realizó la primera fisión artificial de un átomo de uranio, en manos del científico Otto Hahn, en el año 1938, hazaña que dio pie a la aparición de la Energía Nuclear .
Y tan es así, que 5 años después Enrico Fermi inventa el primer reactor nuclear.
Lo lamentable es que casi al mismo tiempo, la energía nuclear sería usada con fines bélicos, en los ataques a las poblaciones japonesas de Hiroshima y Nagasaki, eventos que marcarían el inicio de la llamada Guerra Fría entre la extinta Unión Soviética y Estados Unidos, durante la segunda mitad del siglo XX, alentada por el control de las armas nucleares como factor de dominación.
Y hoy, ¿qué?
Cambio climático, efecto invernadero, lluvia ácida y otros fenómenos ambientales catastróficos para la vida en el planeta, comienzan a aparecer como una preocupación seria hacia el último tercio del siglo XX.
Dirigiendo los esfuerzos de muchos líderes y Naciones industrializadas, hacia la reducción del uso de combustibles fósiles y su sustitución por una producción sostenida de energías renovables provenientes del Sol, el viento y la biomasa, en el afán de salvar a la Madre Tierra y sus pobladores de tantas agresiones ambientales que podrían, sin exageración alguna, exterminar toda manifestación de vida en el planeta.