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15.1: Nuestro Sol, una Central Nuclear Gigante

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    Objetivos de aprendizaje
    • Definir energía y distinguir entre enregía cinética y potencial.
    • Describir la fotosíntesis
    • Realizar cálculos que involucren potencia y energía.

    El Sol actualmente fusiona alrededor de 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio cada segundo, convirtiendo 4 millones de toneladas de materia en energía cada segundo como resultado. La luz solar en la parte superior de la atmósfera terrestre está compuesta (por energía total) de aproximadamente 50% de luz infrarroja, 40% de luz visible y 10% de luz ultravioleta. [46] La atmósfera en particular filtra más del 70% del ultravioleta solar, especialmente en las longitudes de onda más cortas. [47] La radiación ultravioleta solar ioniza la atmósfera superior diurna de la Tierra, creando la ionosfera eléctricamente conductora. [48] La energía de la luz solar soporta casi toda la vida [c] en la Tierra mediante la fotosíntesis, [37] e impulsa el clima y el clima de la Tierra.

    La energía puede definirse como la capacidad de suministrar calor o hacer trabajo. Un tipo de trabajo (w) es el proceso de hacer que la materia se mueva contra una fuerza contraria. Por ejemplo, trabajamos cuando inflamos una llanta de bicicleta; movemos la materia (el aire en la bomba) contra la fuerza contraria del aire que rodea la llanta. La energía se mide en unidades SI, en julios (J). El Joule (= 1 Newton-metro) es una unidad muy pequeña, sin embargo equivale a la cantidad de trabajo de levantar una manzana pequeña (98 gramos) verticalmente hacia arriba un metro. En términos de calor,

    \(\mathrm{1\: cal = 4.184\: J}\)

    La tasa de trabajo realizado o transferencia de energía se llama potencia, y su unidad es vatio.

    \(\mathrm{1\: watt = 1\: J/s}\)

    Su calculadora puede consumir algunos milivatios, y una computadora consume alrededor de 100 vatios, al igual que una bombilla de 100 W. El kilovatio (kW) es igual a mil (10 3) vatios. Esta unidad se usa típicamente para expresar la potencia de salida de los motores y la potencia de los motores eléctricos, herramientas, máquinas y calentadores. También es una unidad común utilizada para expresar la salida de potencia electromagnética de los transmisores de radio y televisión de difusión. Diferentes ejemplos de poder se dan en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

    Un kilovatio es aproximadamente igual a 1.34 caballos de fuerza. Un pequeño calentador eléctrico con un elemento calefactor puede usar 1.0 kilovatio. El consumo promedio de energía eléctrica de un hogar en Estados Unidos es de aproximadamente un kilovatio.

    \(\PageIndex{1}\)Poder de Mesa en Kilowatts de Diversos Objetos o Fenómenos.
    Objeto o Fenómeno Potencia en kilovatios (kW)
    Supernova (en pico) \(5 \times 10^{34}\)
    Galaxia Vía Láctea \(10^{34}\)
    Pulsar de nebulosa de \(10^{25}\)
    El Sol \(4 \times 10^{23}\)
    Erupción volcánica (máxima) \(4 \times 10^{12}\)
    Perno de rayos \(2 \times 10^{9}\)
    Central nuclear (electricidad total y transferencia de calor) \(3 \times 10^6\)
    Portaaviones (total útil y transferencia de calor) \(10^5\)
    Dragster (total útil y transferencia de calor) \(2 \times 10^3\)
    Coche (total útil y transferencia de calor) \(8 \times 10^1\)
    Jugador de fútbol (total útil y transferencia de calor) \(5\)
    Secadora de ropa \(4\)
    Bombilla incandescente típica (total útil y transferencia de calor) (60W) \(0.06\)
    Reloj eléctrico \(0.003\)
    Calculadora de bolsillo \(10^{-6}\)
    Ejemplo\(\PageIndex{1}\) Power and Energy Conversion

    Calcular la energía eléctrica, en julios (J), que es utilizada por una bombilla LED de 20W que se dejó “encendida” durante 3.0 horas.

    Solución

    1. Desde 1 W = 1 J/s entonces 20W = 20 J/s.

    2. Convertir 3 h a s.

    3. Calcula la cantidad en J por 10,800 s.

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Calcular la energía eléctrica, en julios (J), que es utilizada por una bombilla incandescente de 100W que se dejó “encendida” durante 2 horas.

    Contestar

    720,000 J

    La energía y el sistema de soporte vital

    La fotosíntesis es esencial para toda la vida en la tierra; tanto las plantas como los animales dependen de ella. Es el único proceso biológico que puede capturar la energía que se origina en el espacio exterior (luz solar) y convertirla en compuestos químicos (carbohidratos) que todo organismo utiliza para alimentar su metabolismo. En resumen, la energía de la luz solar es capturada y utilizada para energizar electrones, que luego se almacenan en los enlaces covalentes de las moléculas de azúcar. ¿Qué tan duraderos y estables son esos enlaces covalentes? La energía extraída hoy por la quema de carbón y productos derivados del petróleo representa la energía solar capturada y almacenada por la fotosíntesis hace casi 200 millones de años.

    La fotosíntesis es un proceso de varios pasos que requiere luz solar, dióxido de carbono (que es bajo en energía) y agua como sustratos (Figura\(\PageIndex{1}\)). Una vez completado el proceso, libera oxígeno y produce moléculas simples de carbohidratos (que son altas en energía) que posteriormente se pueden convertir en glucosa, sacarosa o cualquiera de las docenas de otras moléculas de azúcar. Estas moléculas de azúcar contienen energía y el carbono energizado que todos los seres vivos necesitan para sobrevivir.

    15C.png
    Figura La\(\PageIndex{1}\) fotosíntesis utiliza energía solar, dióxido de carbono y agua para producir carbohidratos que almacenan energía. El oxígeno se genera como producto de desecho de la fotosíntesis.

    La ecuación química para la fotosíntesis se da en la Figura\(\PageIndex{2}\). Aunque la ecuación parece simple, los muchos pasos que se dan durante la fotosíntesis son en realidad bastante complejos. En realidad, el proceso se lleva a cabo en muchas etapas que involucran reactivos y productos intermedios.

    15D.png
    Figura\(\PageIndex{2}\) La ecuación básica para la fotosíntesis.

    Energía cinética y potencial

    Al igual que la materia, la energía viene en diferentes tipos. Un esquema clasifica la energía en dos tipos: la energía potencial, la energía que tiene un objeto por su posición relativa, composición o condición, y la energía cinética, la energía que un objeto posee debido a su movimiento. El agua en la parte superior de una cascada o presa tiene energía potencial debido a su posición; cuando fluye hacia abajo a través de generadores, tiene energía cinética que puede ser utilizada para hacer trabajos y producir electricidad en una planta hidroeléctrica (Figura\(\PageIndex{3}\)). Una batería tiene energía potencial porque los químicos dentro de ella pueden producir electricidad que puede funcionar.

    Se muestran dos imágenes etiquetadas con a y b. La imagen a muestra una gran cascada con agua cayendo desde una elevación alta en la parte superior de las cataratas hasta una elevación inferior. El segundo cuadro es una vista mirando hacia abajo a la Presa Hoover. El agua se muestra detrás del alto muro de la presa por un lado y en la base de la presa por el otro.
    Figura\(\PageIndex{3}\) El (a) El agua que es mayor en elevación, por ejemplo, en la cima de las Cataratas Victoria, tiene una mayor energía potencial que el agua a una elevación menor. A medida que cae el agua, parte de su energía potencial se convierte en energía cinética. b) Si el agua fluye a través de generadores en el fondo de una presa, como la Presa Hoover que se muestra aquí, su energía cinética se convierte en energía eléctrica. (crédito a: modificación de obra de Steve Jurvetson; crédito b: modificación de obra por “curimedia” /Wikimedia commons).

    La energía potencial no sólo está asociada con la ubicación de la materia, sino también con la estructura de la materia. Incluso un resorte en el suelo tiene energía potencial si se comprime; también lo hace una banda de goma que se tira tensa. A nivel molecular, los enlaces que mantienen unidos los átomos de las moléculas existen en una estructura particular que tiene energía potencial. El hecho de que la energía pueda ser liberada por la ruptura de ciertos enlaces químicos implica que esos enlaces tienen energía potencial. De hecho, hay energía potencial almacenada dentro de los enlaces de todas las moléculas de alimentos que comemos, la cual es aprovechada para su uso. El tipo de energía potencial que existe dentro de los enlaces químicos, y se libera cuando esos enlaces se rompen, se llama energía química. La energía química es responsable de proporcionar a las células vivas energía de los alimentos. La liberación de energía se produce cuando se rompen los enlaces moleculares dentro de las moléculas de los alimentos.

    Resumen

    • La energía puede definirse como la capacidad de suministrar calor o hacer trabajo y se mide en unidades SI, en julios (J)
    • La fotosíntesis es esencial para toda la vida en la tierra y es el único proceso biológico que puede capturar la energía que se origina en el espacio exterior (luz solar) y convertirla en compuestos químicos (carbohidratos) que todo organismo utiliza para impulsar su metabolismo.
    • La energía viene en dos formas fundamentalmente diferentes: la energía cinética y la energía potencial.
    • La energía cinética es la energía del movimiento.
    • La energía potencial es la energía almacenada que depende de la posición de un objeto en relación con otro objeto.

    Colaboradores y Atribuciones

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