Texto académico

Autores

Eduardo Ochoa Hernández
Nicolás Zamudio Hernández
Gladys Juárez Cisneros
Filho Enrique Borjas García
Lizbeth Guadalupe Villalon Magallan
Rogelio Ochoa Barragán

2. Energía 

La energía es un recurso de lo más apreciado por la humanidad. A lo largo de la historia, el ingenio tecnológico y heroicos esfuerzos se han dedicado a la extracción de energía al mover con agua, carbón, petróleo, uranio, luz solar, viento y otras fuentes de energía primaria. Escuchamos constantemente de la tasa a la que consumimos la energía no renovable. Calentar o enfriar nuestros hogares, lavar la ropa, iluminar, transportar mercancías…, desde un punto de vista científico, sin embargo, la energía no se pierde cuando la usamos. De hecho, la esencia de la energía es que se conserva.

Energía no es fácil de definir, pero por ahora observaremos que en cualquier sistema físico libre de influencia externa, la energía no cambia con el tiempo. Este hecho se conoce como conservación de la energía y esto es atributo fundamental de la energía. De hecho, la energía es importante para la ciencia precisamente porque se conserva. Mientras que se mueve de un sistema a otro la energía cambia de forma, es difícil de seguir esto, la energía no puede ser creada ni destruida. Es posible entender el comportamiento de un sistema biológico, climático, químico o físico siguiendo el flujo de la energía a través de ellos.

Cuando decimos que se consume energía, lo que queremos decir más precisamente, es que se ha degradado la energía de una forma más o menos útil, particularmente en energía térmica que simplemente aumenta la temperatura ambiente. La energía es omnipresente. La vemos en el movimiento del mundo y la sentimos en el calor del aire y del agua en nuestro entorno. La mayoría de la energía que impulsa a los organismos, los ecosistemas y la circulación del aire y el agua en la tierra llegó aquí como la radiación solar producida por fusión nuclear en el sol. Solo una centésima parte del uno por ciento de la energía solar que llega a la tierra sería suficiente para abastecer todas las necesidades actuales de energía, si esta energía pudiera aprovecharse eficazmente. Incluso mayores cantidades de energía están contenidas en objetos físicos que nos rodean, por sí mismos son una forma altamente estructurada de energía, tal como la define Albert Einstein en su famosa ecuación^[1]:

No hay ninguna escasez de energía en el mundo que nos rodea. La energía de radiación solar golpea a la tierra a una velocidad constante 10,000 veces mayor a la tasa a la que la humanidad utiliza energía. El desafío es encontrar maneras prácticas, ecológicas y económicas de canalizarla para uso humano desde su estado natural dicha energía solar. 

Una masa de 5,500Kg, contiene suficiente energía para la civilización humana durante un año. Este tipo de energía, sin embargo, es imposible de extraer y ponerla a disposición con cualquier tecnología actual o previsible. El problema de la energía no es su escasez, sino más bien como hacerla utilizable. El reto de la humanidad es identificar los mecanismos para la transformación solar y otros depósitos de energía en forma de masa, para en forma práctica, económica, ecológica y tecnológica hacerla útil al quehacer humano. El flujo de energía a través de las actividades humanas, de fuentes de usos finales y a través de las conversiones en el medio, forman un sistema complejo  con muchas interdependencias. Comprender el uso de la energía humana requiere conocer no solo cada parte del sistema de energía, sino también cómo están conectadas en la dinámica de las ciudades, industrias, transportes, hogares. 

Principios físicos ponen límites no solo en la cantidad de energía que está disponible de cada recurso posible, sino también en la eficiencia con que la energía puede transformarse de una forma a otra. Por ejemplo, solo alrededor del 25% de la energía térmica liberada por un automóvil típico de motor de combustión interna se utiliza realmente para el vehículo, el resto se pierde como calor en el medio ambiente. Comprender las limitaciones físicas sobre la eficiencia de conversión de energía ayuda a guiar los esfuerzos para mejorar la eficiencia de los sistemas existentes y minimizar el impacto en el medio ambiente.

Más allá de las limitaciones económicas y tecnológicas, son más amplios los impactos asociados con el uso de la energía de algunas fuentes no renovables. La quema de combustibles fósiles conduce a la emisión de dióxido de carbono (). En la atmósfera el absorbe la radiación infrarroja saliente, afectando el clima de la tierra. El uso de la energía nuclear genera residuos radiactivos y puede provocar accidentes y contaminar haciendo inhabitables amplias zonas del planeta. La mayoría de los recursos renovables, como viento y sol, son más amigables con el medio ambiente.

La tasa de consumo de energía de la humanidad está en constante crecimiento y la población sigue creciendo y el uso de la energía no renovable crece. A menos que se produzca un cambio, la búsqueda de nuevas maneras de energías limpias será el tema dominante del siglo XXI^[2].

Se requiere conocer la ciencia de la energía y como estamos conectados en cuanto a la extracción, transformación o utilización de los recursos energéticos en cualquier escala grande o pequeña. Para participar en cualquier discusión significativa de la energía, es necesario utilizar un sistema de unidades. Como reflejo de sus múltiples formas, la energía es tal vez la cantidad con más unidades derivadas. Por ejemplo, calorías, electrón voltios, BTU, kilovatios/hora y barriles de petróleo son equivalentes a unidades de energía estándar de uso generalizado. 

Usaremos el sistema métrico o también llamado internacional SI. Tiene la característica conveniente que las unidades estándar para cualquier cantidad física difieren por potencias de diez con denotación por prefijos. En el SI tiempo, longitud y masa son el segundo, metro y kilogramo. El segundo se define “s”, como el tiempo requerido para un número fijo de las oscilaciones de la onda electromagnética emitidas cuando una transición cuántica específica ocurre en un átomo de cesio. El metro “m”, se define por que la velocidad de la luz en el vacío es precisamente 

El kilogramo es una masa igual a la de una muestra específica de material de la oficina internacional de pesas y medidas en Francia, aunque esto puede cambiar en el futuro. Teniendo en cuenta a las unidades de tiempo, masa y longitud podemos definir en el SI a las unidades de energía, el Joule “J”,

Un joule es equivalente a la energía cinética de una pelota de tenis (masa=0.057kg) después de caer desde una altura de 2 metros. 

Una fuerza tiene unidades conocidas como newton “N”; en cuanto a las unidades básicas de longitud, tiempo y masa:

El resultado de multiplicar una fuerza por una distancia se da en unidades de energía. Esta es una de las ecuaciones básicas de la mecánica elemental: trabajo= fuerza x distancia. Trabajo representa una transferencia de energía desde un sistema a otro.

Otra cantidad importante es la potencia. El poder o la potencia es la velocidad en que la energía se utiliza o transforma de una forma a otra. Tiene unidades de energía por tiempo:

En el SI potencia es tasada en Watt “W”:

Otras cantidades asociadas con la energía que se presentan con frecuencia son presión en pascales o atmósferas, como la temperatura: grados centígrados, Kelvin.

La energía está presente en el mundo en muchas formas diferentes. Mientras que la energía química, energía térmica, energía total y energía potencial pueden parecer intuitivamente muy diferentes de la simple noción  de energía cinética de una pelota de tenis que cae, todas representan la misma cara de la moneda en la física. Cada forma de energía puede medirse en Joules, y más o menos con algún esfuerzo, cada forma de energía puede transformarse en cualquier otra forma. La energía cinética y potencial de la mecánica,  es la energía que un objeto tiene en virtud de su movimiento. La energía cinética de un objeto de masa m moviéndose a una velocidad v es 

La energía potencial es la energía almacenada en una configuración de objetos que interactúan a través de la fuerza de gravedad. La energía térmica es la contenida en la dinámica microscópica de un gran número de moléculas, átomos u otros componentes de material macroscópico  gaseoso, líquido o sólido; es la energía asociada a las vibraciones y rotaciones del material macroscópico individual, un aumento de la temperatura indica mayor vibración de la materia y por ende, mayor energía térmica. 

La energía electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza; las otras son la gravedad y las fuerzas nucleares débiles y fuertes. Eléctricamente las partículas cargadas producen campos eléctricos y magnéticos que a su vez ejercen fuerzas sobre otras partículas cargadas. La energía electromagnética puede almacenarse en configuraciones de partículas cargadas como electrones y protones, en mucho, es mas fuerte esta energía que la gravitacional. La energía electromagnética puede transmitirse a través de circuitos eléctricos, distribuirse por redes eléctricas, propagarse a través del vacío  u otro medio, como el caso de la  luz emitida por el WiFi. 

Energía química es almacenada en los enlaces químicos dentro de un material. La energía en estos casos son bonos originales de la electromagnética, que genera interacciones entre átomos en el nivel molecular, descritas en el marco de la mecánica cuántica. La mayoría de la energía química de un litro de gasolina o un tomate, está contenida en los enlaces de átomos de carbono del material en conexión a otros átomos de carbono e hidrogeno. Cuando se come un tomate o se quema la gasolina, esta energía se libera y puede usarse para alimentar a una persona caminando por la calle o un automóvil a lo largo de una carretera. La energía en un enlace químico típico es de unos voltios de electrones, donde un electrón volt (eV) es la energía necesaria para mover un electrón individual a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio.

La energía de enlace nuclear así como los átomos en una molécula se mantienen por fuerzas electromagnéticas, de manera similar los protones y neutrinos en un núcleo atómico se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte. Las energías de enlace nucleares son aproximadamente un millón de veces mayores que las energías de enlace molecular, procesos nucleares típicos emitirán y absorberán millones de electrón voltios de energía. 

La fusión de pequeños núcleos liberan energía en el proceso. La fusión nuclear en el sol combina cuatro núcleos de hidrógeno (protones) en un núcleo de helio, generando calor que a su vez produce la radiación solar. La parte de esta radiación solar que llega la tierra es almacenada por la fotosíntesis de plantas y unidades de procesos biológicos, en la dinámica de las corrientes atmosféricas y marinas. Los núcleos más grandes, tales como los de uranio, se vuelven inestables por la repulsión electromagnética entre protones cargados que se oponen a la fuerza de unión nuclear fuerte. Su degradación en partes más pequeñas (proceso de fisión nuclear) proporciona una fuente de poder compacta y libre de carbono cuando se utiliza en un reactor nuclear (fuerza nuclear débil). 

Energía altamente estructurada = Masa. La masa es una forma de energía, según la física cuántica, cada partícula es una excitación de un campo cuántico, así como un fotón de luz es una excitación cuántica del campo electromagnético. Es difícil de convertir la energía total de una masa en una forma útil. Esto puede hacerse poniendo una partícula en contacto con una antipartícula del mismo tipo. La partícula y la antipartícula se aniquilan y liberan de su masa energía como radiación electromagnética, energía cinética de partículas menos masivas que son productos de la radicación de aniquilación. Antimateria que no se encuentra naturalmente en el sistema solar, sin embargo, no resulta práctica como fuente de energía. Tengamos presente que Einstein determinó la equivalencia energía de una masa m:

donde c es la velocidad de la luz. 

[1] Einstein, A. (2015). Relativity: The Special and the General Theory - 100th Anniversary Edition (Anniversary ed.). Princeton University Press.

[2] Sciences, E., and Medicine National Academies of, Sciences, D. O. E. A. P., Affairs, P. A. G., Systems, B. O. E. A. E., Science, T., and Economic Policy Board on, & Technologies, C. O. D. O. M. A. O. A. E. E. A. C. E. (2016). The Power of Change: Innovation for Development and Deployment of Increasingly Clean Electric Power Technologies. National Academies Press.