15.2: ¿Qué es la Energía?
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La energía es la capacidad de mover la materia, es decir, de hacer el trabajo. El movimiento de átomos y moléculas es también una forma de energía llamada calor. La energía contenida en una masa móvil de materia es energía cinética. Por ejemplo, la energía recolectada de la luz solar durante el día puede acumularse en volantes giratorios rápidamente y luego usarse por la noche cuando la energía solar no está disponible. El agua bombeada a un reservorio elevado es un ejemplo de energía fotovoltaica que puede funcionar a través de una turbina hidroeléctrica para generar electricidad según sea necesario.
La energía química es una forma de energía potencial almacenada en los enlaces de las moléculas. Esta energía puede ser liberada durante las reacciones químicas, generalmente como calor pero a veces como energía eléctrica o luminosa, ya que los enlaces se rompen y se forman nuevos enlaces.
Un tractor sobre orugas equipado con una excavadora para movimiento de tierras ilustra la definición de energía y varias formas de energía (Figura 15.1). La energía química en forma de hidrocarburos de petróleo se utiliza para alimentar el motor diesel del tractor. En el motor los hidrocarburos se combinan con el oxígeno del aire,
\[\ce{2C16H34 + 49O2 \rightarrow 32CO2 + 34 H2O + heat energy}\]
para producir energía térmica. A medida que los gases calientes en los cilindros del motor empujan los pistones hacia abajo, parte de esta energía térmica se convierte en energía mecánica, que es transferida por el cigüeñal del motor, engranajes, eje y orugas para impulsar el tractor hacia adelante. Una cuchilla u otro implemento unido al tractor mueve el suelo.
La energía liberada en una reacción química es el resultado de la diferencia de energías entre los enlaces en los reactivos y la energía de los enlaces en los productos. Se muestra un cálculo de ejemplo para la combustión de un mol de metano en el Capítulo 5, Sección 9.5.
Unidades de Energía y Termodinámica
La unidad estándar de energía es el joule, abreviado J. Un total de 4.184 J de energía térmica elevará la temperatura de 1 g de agua líquida en 1° C. Esta cantidad de calor es igual a 1 caloría de energía (1 cal = 4.184 J), la unidad de energía utilizada anteriormente en el trabajo científico. Un joule es una unidad pequeña, y el kilojulio, kJ, igual a 1000 J es ampliamente utilizado en la descripción de procesos químicos. La “caloría” comúnmente utilizada para expresar el valor energético de los alimentos (y su potencial para producir grasa) es en realidad una kilocaloría, kcal, igual a 1000 cal.
La energía se refiere a la energía generada, transmitida o utilizada por unidad de tiempo. La unidad de potencia es el vatio igual a un flujo de energía de 1 julio por segundo (J s-1). Una bombilla fluorescente compacta adecuada para iluminar un área de escritorio podría tener una clasificación de 21 vatios. Una central eléctrica grande puede apagar electricidad a un nivel de potencia de 1000 megavatios (mw, donde un mw es igual a 1 millón de vatios). El poder a escala nacional o global a menudo se expresa en gigavatios, cada uno de los cuales equivale a mil millones de vatios o incluso teravatios, donde un teravatio es igual a un billón de vatios.
La ciencia que se ocupa de la energía en sus diversas formas y con el trabajo es la termodinámica. Hay algunas leyes importantes de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye. Esta ley también es conocida como la ley de conservación de la energía. Como ejemplo de la aplicación de esta ley, considere la Figura 15.1. La energía asociada con la tierra en movimiento ingresa al sistema como energía química en forma de combustible diesel, y el oxígeno del aire requerido para su combustión. Esta es una valiosa forma de energía química concentrada que puede ser utilizada para propulsar un tractor o locomotora, en una turbina unida a un generador para la generación de energía eléctrica, o como combustible para generar calor en un horno de petróleo. El combustible se quema en el motor del tractor, y más de la mitad de su energía se disipa como calor a los alrededores. El resto se utiliza para mover el tractor y la suciedad. La energía originalmente contenida en una forma útil concentrada en el combustible diesel no se destruye, sino que se disipa en forma diluida, principalmente para calentar muy ligeramente el entorno.
La primera ley de la termodinámica siempre debe tenerse presente en la práctica de la química verde. La mejor práctica de la química verde y, de hecho, de toda la ciencia ambiental, requiere el uso más eficiente de la energía a medida que pasa por un sistema. La disponibilidad de energía es a menudo el factor limitante para usar y reciclar materiales de manera eficiente.