1.1: Flujo de Energía

INTRODUCCIÓN

La energía es la capacidad de hacer el trabajo. El trabajo se realiza cuando se aplica una fuerza a un objeto a una distancia. Cualquier objeto en movimiento tiene energía cinética o energía de movimiento, y así puede hacer trabajo. De igual manera, se tiene que trabajar sobre un objeto para cambiar su energía cinética. La energía cinética de un objeto de masa\(m\) y velocidad\(v\) viene dada por la relación

\[E=\dfrac{1}{2}mv^2.\]

En ocasiones, la energía puede ser almacenada y utilizada posteriormente. Por ejemplo, un manantial comprimido y el agua retenida por una presa tienen el potencial de hacer trabajo. Se dice que poseen energía potencial. Cuando se libera el manantial o el agua su energía potencial se transforma en energía cinética y otras formas de energía como el calor. La energía asociada a la fuerza gravitacional cerca de la superficie de la tierra es energía potencial. Otras formas de energía son realmente combinaciones de energía cinética y potencial. La energía química, por ejemplo, es la energía potencial eléctrica almacenada en átomos. La energía térmica es una combinación del potencial y la energía cinética de las partículas en una sustancia.

FORMAS DE ENERGÍA

La energía mecánica pone algo en movimiento. Mueve autos y levanta elevadores. Una máquina utiliza energía mecánica para hacer el trabajo. La energía mecánica de un sistema es la suma de su energía cinética y potencial. Las palancas, que necesitan un fulcro para operar, son el tipo de máquina más simple. Ruedas, poleas y planos inclinados son los elementos básicos de la mayoría de las máquinas.

La energía química es la energía almacenada en moléculas y compuestos químicos, y se encuentra en los alimentos, la madera, el carbón, el petróleo y otros combustibles. Cuando se rompen los enlaces químicos, ya sea por combustión u otras reacciones químicas, la energía química almacenada se libera en forma de calor o luz. Por ejemplo, las células musculares contienen glucógeno. Cuando el músculo sí funciona el glucógeno se descompone en glucosa. Cuando la energía química en la glucosa se transfiere a las fibras musculares parte de la energía va al entorno como calor.

La energía eléctrica se produce cuando las fuerzas desequilibradas entre los electrones y los protones en los átomos crean electrones móviles llamados corrientes eléctricas. Por ejemplo, cuando hacemos girar un cable de cobre a través de los polos de un imán inducimos el movimiento de los electrones en el cable y producimos electricidad. La electricidad se puede utilizar para realizar trabajos como encender una bombilla, calentar un elemento de cocción en una estufa o alimentar un motor. Tenga en cuenta que la electricidad es una fuente de energía “secundaria”. Eso significa que se necesitan otras fuentes de energía para producir electricidad.

La energía radiante es transportada por las olas. Los cambios en la energía interna de las partículas hacen que los átomos emitan energía en forma de radiación electromagnética que incluye luz visible, radiación ultravioleta (UV), radiación infrarroja (IR), microondas, ondas de radio, rayos gamma y rayos X. La radiación electromagnética del sol, particularmente la luz, es de suma importancia en los sistemas ambientales porque los ciclos biogeoquímicos y prácticamente todos los demás procesos en la tierra son impulsados por ellos.

La energía térmica o la energía térmica está relacionada con el movimiento o vibración de moléculas en una sustancia. Cuando un sistema térmico cambia, el calor fluye dentro o fuera del sistema. La energía térmica fluye de cuerpos calientes a cuerpos fríos. El flujo de calor, como el trabajo, es una transferencia de energía. Cuando el calor fluye hacia una sustancia puede aumentar la energía cinética de las partículas y así elevar su temperatura. El flujo de calor también puede cambiar la disposición de las partículas que componen una sustancia al aumentar su energía potencial. Esto es lo que le sucede al agua cuando alcanza una temperatura de 100ºC. Las moléculas de agua se alejan más entre sí, cambiando así el estado del agua de un líquido a un gas. Durante la transición de fase la temperatura del agua no cambia.

La Energía Nuclear es la energía que proviene de la unión de los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos. Se puede liberar de los átomos de dos maneras diferentes: la fusión nuclear o la fisión nuclear. En la fusión nuclear, la energía se libera cuando los átomos se combinan o fusionan entre sí. Así es como el sol produce energía. En la fisión nuclear, la energía se libera cuando los átomos se dividen. La fisión nuclear se utiliza en las centrales nucleares para producir electricidad. El uranio 235 es el combustible utilizado en la mayoría de las centrales nucleares porque sufre una reacción en cadena extremadamente rápida, lo que resulta en la fisión de billones de átomos en una fracción de segundo.

FUENTES Y SUMIDEROS

La fuente de energía para muchos procesos que ocurren en la superficie terrestre proviene del sol. La energía solar radiante calienta la tierra de manera desigual, creando movimientos de aire en la atmósfera. Por lo tanto, el sol impulsa los vientos, las corrientes oceánicas y el ciclo del agua. La energía de la luz solar es utilizada por las plantas para crear energía química a través de un proceso llamado fotosíntesis, y esto apoya la vida y el crecimiento de las plantas. Además, el material vegetal muerto se descompone, y a lo largo de millones de años se convierte en combustibles fósiles (petróleo, carbón, etc.).

Hoy en día, hacemos uso de diversas fuentes de energía que se encuentran en la tierra para producir electricidad. Utilizando máquinas, convertimos las energías del viento, la biomasa, los combustibles fósiles, el agua, el calor atrapado en la tierra (geotérmica), la energía nuclear y la solar en electricidad utilizable. Las fuentes de energía anteriores difieren en cantidad, disponibilidad, tiempo requerido para su formación y utilidad. Por ejemplo, la energía liberada por un gramo de uranio durante la fisión nuclear es mucho mayor que la producida durante la combustión de una masa igual de carbón.

Tabla: PRODUCCIÓN DE ENERGÍA DE EE.UU. (Cuadrillón BTU)

(Fuente: US DOE)	1975	2000
Carbón	14.989 (24.4%)	22.663 (31.5%)
Gas natural (seco)	19.640 (32.0%)	19.741 (27.5%)
Petróleo Crudo	17.729 (28.9%)	12.383 (17.2%)
Nuclear	1.900 (3.1%)	8.009 (11.2%)
Hidroeléctrica	3.155 (5.1%)	2.841 (4.0%)
Gas natural (líquido vegetal)	2.374 (3.9%)	2.607 (3.6%)
Geotérmica	0.070 (0.1%)	0.319 (0.4%)
Otros	1.499 (2.5%)	3.275 (4.6%)
TOTAL	61.356	71.838

(Fuente: Departamento de Energía de Estados Unidos)

Un sumidero de energía es cualquier cosa que recoja una cantidad significativa de energía que o bien se pierde o no se considera transferible en el sistema en estudio. Las fuentes y sumideros tienen que incluirse en un presupuesto energético cuando se contabiliza la energía que entra y sale de un sistema.

CONSERVACIÓN DE ENERGÍA

Aunque la energía se puede convertir de una forma a otra, la energía no puede crearse ni destruirse. Este principio se llama la “ley de conservación de la energía”. Por ejemplo, en una motocicleta, la energía potencial química del combustible cambia a energía cinética. En una radio, la electricidad se convierte en energía cinética y energía de las olas (sonido).

Las máquinas se pueden utilizar para convertir energía de una forma a otra. Aunque las máquinas ideales conservan la energía mecánica de un sistema, parte de la energía siempre se convierte en calor cuando se usa una máquina. Por ejemplo, el calor generado por la fricción es difícil de recolectar y transformar en otra forma de energía. En esta situación, la energía térmica suele considerarse inutilizable o perdida.

UNIDADES DE ENERGÍA

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de trabajo o energía es la Joule (J). Para cantidades muy pequeñas de energía, a veces se usa el erg (erg). Un erg es una diez millonésima parte de un Joule:

1julio=10,000,000ergs

La potencia es la velocidad a la que se utiliza la energía. La unidad de potencia es el Watt (W), que lleva el nombre de James Watt, quien perfeccionó la máquina de vapor:

1watt=1julio/segundsize

La potencia a veces se mide en caballos de fuerza (hp):

1Caballos de fuerza=746Wattss

El ene rgy eléctrico se expresa generalmente en kilovatios-hora (kWh):

1kilovatio-hora=3.600.000julios

Es importante darse cuenta de que un kilovatio-hora es una unidad de energía, no de potencia. Por ejemplo, una plancha con una calificación de 2000Wattssize consumiría 2x3.6x106J de energía en 1hora.

La energía térmica a menudo se mide en calorías. Una caloría (cal) se define como el calor requerido para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14.5 a 15.5 ºC:

1CALORIE=4.189JOULESTamaño

Una unidad de calor antigua, pero aún usada, es la Unidad Térmica Británica (BTU). Se define como la energía térmica requerida para elevar la temperatura de energía de 1 libra de agua de 63size 12 {"63"} {} a 64Fsize 12 {" 64" "” LSup {size 8 {circ}} F} {}.

Cantidad Física	Nombre	Símbolo	Unidad SI
Fuerza	Newton	N	kgm/s2talla 12 {ital “kg” cdot m/s RSUP {talla 8 {2}}} {}
Energía	Joule	J	kgm2/s2talla 12 {ital “kg” cdot m RS
Poder	Watt	W	kgm2/s3talla 12 {ital “kg” cdot m r

1BTU=1055Julios