16.1: Fuentes de Sol- Energía Térmica y Gravitacional
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Identificar diferentes formas de energía
- Entender la ley de conservación de la energía
- Explicar formas en que la energía puede transformarse
La energía es un concepto desafiante de comprender porque existe en tantas formas diferentes que desafía cualquier explicación simple. En muchos sentidos, comprender la energía es como comprender la riqueza: Hay formas muy diferentes de riqueza y siguen reglas diferentes, dependiendo de si son el mercado de valores, bienes raíces, una colección de cómics antiguos, grandes montones de efectivo, o una de las muchas otras formas de ganar y perder dinero. Es más fácil discutir una o dos formas de riqueza —o energía— que discutir ese concepto en general.
Al esforzarse por comprender cómo el Sol puede apagar tanta energía durante tanto tiempo, los científicos consideraron muchos tipos diferentes de energía. Los científicos del siglo XIX conocían dos posibles fuentes para la energía del Sol: la química y la gravitacional. La fuente de energía química más familiar para ellos fue la quema (el término químico es oxidación) de madera, carbón, gasolina u otro combustible. Sabemos exactamente cuánta energía puede producir la quema de estos materiales. Podemos así calcular que aunque la inmensa masa del Sol consistiera en un material quemable como el carbón o la madera, nuestra estrella no podría producir energía a su ritmo actual desde hace más de pocos miles de años. Sin embargo, sabemos por evidencia geológica que el agua estaba presente en la superficie de la Tierra hace casi 4 mil millones de años, por lo que el Sol debió haber estado brillando intensamente (y haciendo que la Tierra se caliente) al menos tanto tiempo como eso. Hoy, también sabemos que a las temperaturas que se encuentran en el Sol, nada como la madera maciza o el carbón podría sobrevivir.
¿Qué es el vatio?
Apenas unas palabras sobre las unidades que estamos usando. Un vatio (W) es una unidad de potencia, que es energía utilizada o desprendida por unidad de tiempo. Se mide en julios por segundo (J/s). Sabes por tu experiencia cotidiana que no es solo cuánta energía gastas, sino cuánto tiempo tardas en hacerlo. (Quemar 10 Calorías en 10 minutos requiere un tipo de ejercicio muy diferente al de quemar esas 10 Calorías en una hora). Los vatios te indican la velocidad a la que se está utilizando la energía; por ejemplo, una bombilla de 100 vatios utiliza 100 julios (J) de energía cada segundo.
¿Y qué tan grande es un joule? Un instructor de astronomía de 73 kilogramos (160 libras) que corre a unos 4.4 metros por segundo (10 millas por hora) porque llega tarde a clase tiene una energía de movimiento de aproximadamente 700 julios.
Conservación de Energía
Otros intentos del siglo XIX para determinar qué hace brillar al Sol utilizaron la ley de conservación de la energía. En pocas palabras, esta ley dice que la energía no puede crearse ni destruirse, sino que puede transformarse de un tipo a otro, como de calor a energía mecánica. La máquina de vapor, que fue clave para la Revolución Industrial, proporciona un buen ejemplo. En este tipo de motores, el vapor caliente de una caldera impulsa el movimiento de un pistón, convirtiendo la energía térmica en energía de movimiento.
Por el contrario, el movimiento puede transformarse en calor. Si aplaudes vigorosamente al final de una conferencia de astronomía especialmente buena, tus palmas se vuelven más calientes. Si frotas hielo en la superficie de una mesa, el calor producido por la fricción derrite el hielo. Los frenos de los autos utilizan la fricción para reducir la velocidad y, en el proceso, transforman la energía de movimiento en energía térmica. Es por eso que después de detener un automóvil, los frenos pueden estar muy calientes; esto también explica por qué los frenos pueden sobrecalentarse cuando se usan descuidadamente mientras descienden largas carreteras de montaña.
En el siglo XIX, los científicos pensaban que la fuente del calor del Sol podría ser el movimiento mecánico de meteoritos que caían en él. Sus cálculos mostraron, sin embargo, que para producir la cantidad total de energía emitida por el Sol, la masa en meteoritos que tendrían que caer al Sol cada 100 años equivaldría a la masa de la Tierra. El incremento resultante en la masa del Sol, según la tercera ley de Kepler, cambiaría el periodo de la órbita terrestre en 2 segundos al año. Tal cambio sería fácilmente medible y, de hecho, no estaba ocurriendo. Los científicos podrían entonces desmentir esto como la fuente de la energía del Sol.
La contracción gravitacional como fuente de energía
Al proponer una explicación alternativa, el físico británico Lord Kelvin y el científico alemán Hermann von Helmholtz (Figura\(\PageIndex{1}\)), aproximadamente a mediados del siglo XIX, propusieron que el Sol podría producir energía mediante la conversión de la energía gravitacional en calor. Sugirieron que las capas exteriores del Sol podrían estar “cayendo” hacia adentro debido a la fuerza de la gravedad. Es decir, propusieron que el Sol podría estar encogiendo de tamaño, manteniéndose caliente y brillante como resultado.
Para imaginar lo que pasaría si esta hipótesis fuera cierta, imagínese la capa exterior del Sol empezando a caer hacia adentro. Esta capa externa es un gas compuesto por átomos individuales, todos moviéndose en direcciones aleatorias. Si una capa cae hacia adentro, los átomos adquieren una velocidad adicional debido al movimiento descendente. A medida que la capa externa cae hacia adentro, también se contrae, acercando los átomos. Las colisiones se vuelven más probables, y algunas de ellas transfieren la velocidad extra asociada con el movimiento de caída a otros átomos. Esto, a su vez, aumenta las velocidades de esos átomos. La temperatura de un gas es una medida de la energía cinética (movimiento) de los átomos dentro de él; de ahí que la temperatura de esta capa del Sol aumente. Las colisiones también excitan electrones dentro de los átomos a órbitas de mayor energía. Cuando estos electrones regresan a sus órbitas normales, emiten fotones, que luego pueden escapar del Sol (ver Radiación y Espectros).
Kelvin y Helmholtz calcularon que una contracción del Sol a un ritmo de sólo unos 40 metros anuales bastaría para producir la cantidad de energía que ahora irradia. A lo largo de la historia humana, la disminución del tamaño del Sol a partir de una contracción tan lenta sería indetectable.
Si asumimos que el Sol comenzó su vida como una gran nube difusa de gas, entonces podemos calcular cuánta energía ha sido irradiada por el Sol durante toda su vida ya que se ha contraído desde un diámetro muy grande hasta su tamaño actual. La cantidad de energía es del orden de 10 42 julios. Dado que la luminosidad solar es de 4 × 10 26 vatios (julios/segundo) o alrededor de 10 34 julios al año, la contracción podría mantener al Sol brillando a su ritmo actual por aproximadamente 100 millones de años.
En el siglo XIX, 100 millones de años al principio parecían suficientes el tiempo suficiente, ya que entonces se pensaba ampliamente que la Tierra era mucho más joven que esta. Pero hacia finales de ese siglo y en el XX, los geólogos y físicos demostraron que la Tierra (y, por lo tanto, el Sol) es en realidad mucho más antigua. Por lo tanto, la contracción no puede ser la fuente primaria de energía solar (aunque, como veremos en El nacimiento de las estrellas y el descubrimiento de planetas fuera del sistema solar, la contracción es una fuente importante de energía por un tiempo en las estrellas que recién están naciendo). Los científicos se vieron así confrontados con un rompecabezas de proporciones enormes. O un tipo desconocido de energía era responsable de la fuente de energía más importante conocida por la humanidad, o las estimaciones de la edad del sistema solar (y la vida en la Tierra) tuvieron que modificarse seriamente. Charles Darwin, cuya teoría de la evolución requería un lapso de tiempo más largo de lo que parecían permitir las teorías del Sol, se desanimó por estos resultados y continuó preocupándose por ellos hasta su muerte en 1882.
Fue sólo en el siglo XX cuando se identificó la verdadera fuente de energía del Sol. Las dos piezas clave de información requeridas para resolver el rompecabezas fueron la estructura del núcleo del átomo y el hecho de que la masa se puede convertir en energía.
Conceptos clave y resumen
El Sol produce una enorme cantidad de energía cada segundo. Dado que la Tierra y el sistema solar tienen aproximadamente 4.5 mil millones de años, esto significa que el Sol ha estado produciendo grandes cantidades de energía durante muy, mucho tiempo. Ni la quema química ni la contracción gravitacional pueden dar cuenta de la cantidad total de energía irradiada por el Sol durante todo este tiempo.