Todo lo que necesitas saber sobre la energía
4 septiembre, 2023
Por AC --
Todo lo que necesitas saber sobre la energía. Foto: Matthew Henry
Todo lo que necesitas saber sobre la energía
Hablaremos de los diferentes tipos (energía cinética, energía potencial eléctrica, etc.) y de diferentes fuentes, desde combustibles fósiles hasta energía solar.
DEBE SER claro que nuestro mundo funciona con energía.
Energía térmica.
Una cosa más que mencionar: la potencia.
Combustibles fósiles
Pasemos al aspecto práctico de cómo utilizamos la energía.
Hablaremos de los diferentes tipos (energía cinética, energía potencial eléctrica, etc.) y de diferentes fuentes, desde combustibles fósiles hasta energía solar.
DEBE SER claro que nuestro mundo funciona con energía.
Conducir tu automóvil, lavar tu ropa, calentar tu casa e incluso hacer funcionar tu computadora (para que puedas leer esta publicación):
todas estas cosas requieren energía.
¿Pero de dónde viene esta energía?
¿Importa siquiera?
Sí, realmente importa.
Algunas formas de energía contribuyen al cambio climático y otras fuentes son renovables.
Y dado que todos vivimos en el mismo planeta, estas elecciones energéticas pueden ser muy importantes.
Esto significa que todo el mundo debería tener un conocimiento básico de la energía.
No te preocupes, te voy a explicar esto al nivel que todo ser humano debería entender.
¿Qué es energía?
En realidad, la energía no es real; es sólo una forma de realizar un seguimiento de las interacciones.
¿Qué es energía?
En realidad, la energía no es real; es sólo una forma de realizar un seguimiento de las interacciones.
Los humanos lidiamos con cosas que no son reales todo el tiempo.
Las palabras no son "reales", son sólo formas en que un humano puede compartir una idea con otros humanos.
Si mantenemos un registro de todos los cambios de energía en diferentes interacciones, encontramos que la energía se conserva.
Esto significa que si pudieras medir toda la energía antes de una interacción, encontrarías que la energía total es la misma después de la interacción.
Simplemente está en diferentes lugares.
¿Qué pasa con las unidades de energía?
¿Qué pasa con las unidades de energía?
La unidad de energía más común en la ciencia es el julio.
Un julio es la cantidad de energía que se necesitaría para empujar con una fuerza de 1 newton una distancia de 1 metro.
Sin embargo, eso realmente no ayuda a tener una buena idea de esta unidad.
¿Qué tal esto?
Si levantas un libro de texto del suelo y lo pones sobre una mesa, eso equivale a unos 10 julios de energía.
También nos resulta extremadamente útil describir la energía en diferentes tipos.
También nos resulta extremadamente útil describir la energía en diferentes tipos.
Estas son las energías más comunes de las que podría hablar:
Energía cinética.
Energía cinética.
Esta es la energía asociada con los objetos en movimiento.
La energía cinética depende tanto de la masa del objeto como de la velocidad.
Energia potencial electrica.
Energia potencial electrica.
Si tomamos dos cargas eléctricas, por supuesto interactuarán.
La energía potencial eléctrica es una medida de esta interacción.
Esta energía es realmente muy importante.
Dado que casi todo está formado por cargas eléctricas (protones y electrones), muchas otras energías se basan en ellas.
Energía potencial gravitacional.
Energía potencial gravitacional.
Esta es la energía asociada con la interacción gravitacional entre objetos que tienen masa (prácticamente todo).
La gravedad de la Tierra es la más común.
La gravedad de la Tierra es la más común.
Energía térmica.
Se necesita energía para aumentar la temperatura del objeto; por eso decimos que los objetos tienen energía térmica. Dado que la materia está hecha de partículas, en realidad es una combinación de energía cinética (debido al movimiento de las partículas) y energía potencial eléctrica (en las interacciones entre átomos).
Energía potencial química.
Energía potencial química.
Cuando tienes algún tipo de reacción química que transfiere energía, a esto lo llamamos energía potencial química.
Esto incluye a los seres humanos que comen alimentos, a los automóviles que utilizan gasolina y a las baterías químicas.
Pero en realidad, este es sólo un término elegante para la energía potencial eléctrica, una vez más, porque las interacciones entre átomos son casi exclusivamente una interacción de carga eléctrica.
Energía de partículas.
Energía de partículas.
Esencialmente, todas las partículas tienen energía debido tanto a su movimiento (la energía cinética es técnicamente parte de este) como a su masa.
Pero esto significa que incluso una partícula en reposo todavía tiene energía.
La masa es una forma de energía.
Una cosa más que mencionar: la potencia.
Si tomas ese libro de texto del suelo y lo mueves a la mesa, dijimos que eran 10 julios de energía.
Pero claramente hay una diferencia si ese movimiento toma 1 segundo o si toma 1 hora.
Aunque la energía necesaria es la misma en ambos casos, la potencia no lo es.
Aquí, definimos potencia como la tasa de cambio de energía.
Dado que la potencia es en realidad una tasa de uso de energía, hablamos del cambio de energía por cambio en el tiempo.
Dado que la potencia es en realidad una tasa de uso de energía, hablamos del cambio de energía por cambio en el tiempo.
Si este cambio de energía está en unidades de julios y el cambio de tiempo es en segundos, la potencia estaría en unidades de vatios.
En el ejemplo del libro de texto anterior, el primer levantamiento requeriría una potencia de 10 vatios, el segundo solo requeriría 0.0028 vatios.
Una bombilla típica (LED) utiliza aproximadamente 20 vatios de potencia, y si tu coche es eléctrico, consume unos 20 kilovatios.
Pero tienes que tener cuidado.
Una unidad que verás con bastante frecuencia es el kilovatio-hora.
Aunque parezca una unidad de potencia, no lo es.
En realidad es una unidad de energía.
Comienza con la definición de potencia anterior, pero resuelve para ΔE y podrás ver que el cambio de energía es igual a la potencia multiplicada por el intervalo de tiempo.
Eso significa que podemos describir un cambio de energía en unidades de potencia y tiempo.
Se trata del kilovatio-hora, donde un kilovatio-hora es la cantidad de energía que se obtiene de una potencia de 1 kilovatio durante un intervalo de tiempo de 1 hora (3600 segundos).
Entonces, 1 kilovatio-hora equivale a 3.6 millones de julios.
Todo lo que necesitas saber sobre la energía
Parte 2 de 2
Combustibles fósiles
Pasemos al aspecto práctico de cómo utilizamos la energía.
Los combustibles fósiles son probablemente la fuente de energía más común y la que los humanos han estado utilizando durante más tiempo.
La idea básica de la energía de los combustibles fósiles es tomar algo de carbono y combinarlo con oxígeno, formando dióxido de carbono junto con algo de energía (que es la parte que queremos).
Sí, es cierto: la energía se obtiene formando enlaces químicos, no rompiéndolos.
Por supuesto, el oxígeno generalmente proviene de la atmósfera (que contiene aproximadamente un 21% de O2), pero ¿de dónde se obtiene el carbono?
Bueno, podrías talar un árbol y quemarlo.
O podrías desenterrar algunos árboles viejos que con el tiempo se convirtieron en carbón, petróleo o gas natural.
Como se trata de árboles muy viejos, son fósiles: boom, combustibles fósiles.
Entonces, ¿qué tiene de bueno la energía basada en combustibles fósiles?
Entonces, ¿qué tiene de bueno la energía basada en combustibles fósiles?
Lo mejor es que es fácil.
Sólo necesitas sacar estas cosas del suelo y luego quemarlas.
Es como energía instantánea esperando a que los humanos la utilicen.
La mayoría de las formas de combustibles fósiles también tienen una alta densidad energética.
Hay bastante energía en la gasolina, que tiene una densidad energética de 46.4 MJ/kg.
Aunque un automóvil tiene sólo un 25% de eficiencia, sólo 1 kilogramo de gasolina puede proporcionar 11.6 millones de julios de energía. Recuerda, se necesitaban 10 julios para levantar un libro de texto del suelo y colocarlo sobre una mesa.
Es por eso que puedes hacer que un automóvil recorra de 20 a 50 millas con solo un galón de gasolina.
Tienes que admitir que es realmente impresionante.
Bien, entonces, ¿qué es lo que no tiene de bueno los combustibles fósiles?
Bien, entonces, ¿qué es lo que no tiene de bueno los combustibles fósiles?
Cuando quemas un combustible fósil, produce dióxido de carbono.
El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero y contribuye al cambio climático.
Si seguimos quemando combustibles fósiles, el aumento del dióxido de carbono cambiará el clima de una manera que dificultará que los humanos sigan haciendo cosas que siempre hemos hecho, como vivir cerca de la costa o cultivar en ciertas regiones.
Entonces, eso es lo malo de los combustibles fósiles.
Pero déjame ser claro.
Pero déjame ser claro.
No se trata sólo del uso de gasolina en los automóviles.
También quemamos combustibles fósiles para producir energía eléctrica utilizada en casas y demás.
La idea básica es quemar combustible fósil para calentar agua y convertirla en vapor.
Luego, este vapor empuja las palas de un motor de turbina eléctrica para hacerlo girar.
Estas turbinas giratorias crean energía eléctrica a través de una interacción electromagnética (utilizando bucles de cables e imanes).
De hecho, varias fuentes de energía utilizan turbinas giratorias.
Energía solar
Si simplemente sales durante un día soleado, puedes sentirlo.
Energía solar
Si simplemente sales durante un día soleado, puedes sentirlo.
Puedes sentir tu cuerpo calentándose como resultado de la interacción con la luz del sol.
De hecho, en nuestra ubicación en el sistema solar, el sol nos proporciona alrededor de 1,000 vatios por metro cuadrado de energía.
Por supuesto, el truco consiste en convertir esta energía en algo más útil como energía eléctrica.
Una forma de hacerlo es con un panel solar (célula fotovoltaica).
Se trata esencialmente de un dispositivo de estado sólido (sin partes móviles) en el que la luz puede provocar una transición de energía de electrones para producir corriente eléctrica.
Sí, eso es una simplificación excesiva, pero se entiende la idea.
Convierte la energía luminosa en energía eléctrica.
¡Pero espera!
¡Pero espera!
Hay otra forma de utilizar la energía solar.
Se llama planta de energía solar de concentración.
La idea es colocar un montón de espejos para que todos reflejen la luz del sol hacia un punto central.
El objeto en este punto focal solar se calentará extremadamente y puedes usar ese objeto caliente para calentar agua para producir vapor y luego hacer girar una turbina eléctrica.
Oh, normalmente lo extremadamente caliente será un líquido, tal vez como sal fundida.
De esa manera puedes calentar algunas cosas y luego moverlas para generar vapor mientras sigues calentando.
Energía hidroeléctrica
Llevamos mucho tiempo utilizando alguna forma de energía hidroeléctrica: la rueda hidráulica es mucho más antigua que la invención de la electricidad.
La clave de todas las formas de energía hidroeléctrica es que el agua quiere descender más cerca del centro de la Tierra.
Me pregunto qué más podríamos conseguir para hacer girar una de esas turbinas eléctricas.
Técnicamente, existen dos tipos de energía nuclear: fusión y fisión.
otras partes del líquido.
Energía hidroeléctrica
Llevamos mucho tiempo utilizando alguna forma de energía hidroeléctrica: la rueda hidráulica es mucho más antigua que la invención de la electricidad.
En términos de energía eléctrica, no es demasiado complicado.
De hecho, se trata principalmente de energía eléctrica procedente de combustibles fósiles.
Sin embargo, en lugar de utilizar vapor para hacer girar una turbina eléctrica, se utiliza agua que cae o, técnicamente, agua en movimiento resultante de un cambio de altura.
La clave de todas las formas de energía hidroeléctrica es que el agua quiere descender más cerca del centro de la Tierra.
Cuando 1 kilogramo de agua desciende 1 metro, el cambio en la energía potencial gravitacional es de aproximadamente 10 julios (sí, es lo opuesto a levantar un libro de texto).
Puede que no parezca mucha energía, pero ahora imaginemos mover un lago entero 1 metro más abajo.
Eso es un montón de energía.
¿Pero nos quedaremos sin energía hidroeléctrica?
¿Pero nos quedaremos sin energía hidroeléctrica?
¿Qué pasa si tomamos toda el agua que está sobre el nivel del mar y la bajamos hasta el nivel del mar?
Bueno, ese sería el fin de la energía hidroeléctrica.
Pero esto no sucederá gracias a la energía solar.
Sí, la energía hidroeléctrica es una forma de energía solar.
El sol calienta el agua y provoca la evaporación.
Esto significa que hay vapor de agua en el aire que eventualmente regresa a la superficie de la Tierra para llenar todos esos lagos y demás.
La energía hidroeléctrica es tan renovable como la solar (siempre que el sol siga brillando).
Energía eólica
Energía eólica
Me pregunto qué más podríamos conseguir para hacer girar una de esas turbinas eléctricas.
¿Qué pasaría si pusiéramos una pala grande en la parte delantera de la turbina para que el viento pudiera hacerla girar?
Sí. Esa es la energía eólica.
Dado que la energía se conserva, eso debe significar que cuando se obtiene energía eléctrica de la turbina eólica, algo más debe disminuir en energía.
Dado que la energía se conserva, eso debe significar que cuando se obtiene energía eléctrica de la turbina eólica, algo más debe disminuir en energía.
Sí, es cierto.
A medida que el viento se mueve a través de la turbina, empuja las aspas para hacerlas girar.
En el proceso de esta interacción, la velocidad del aire disminuye, aunque sea un poquito.
Eso significa que el aire pierde energía cinética y de ahí proviene la energía eléctrica.
¿Por qué se mueve este aire en primer lugar?
¿Por qué se mueve este aire en primer lugar?
Bueno, eso es lo que llamamos "clima".
Pero tal vez no te sorprenda demasiado saber que el sol es al menos parcialmente responsable del viento.
A medida que el sol calienta la atmósfera, el aire aumenta de presión y se expande.
Ahora tienes regiones de aire con mayor presión y regiones con menor presión.
El aire se mueve hacia las regiones de menor presión y eso es viento.
La energía eólica es tan renovable como la solar (siempre que el sol siga brillando).
La energía nuclear
La energía nuclear
Técnicamente, existen dos tipos de energía nuclear: fusión y fisión.
Los humanos aún no han descubierto cómo construir un reactor de fusión eficiente, así que permítanme centrarme en una reacción de fisión. El reactor de fisión comienza con un átomo pesado como el uranio-235 y lo golpea con un neutrón.
El átomo absorbe este neutrón para convertirse en uranio-236.
Sin embargo, el U-236 es inestable y se rompe en partes más pequeñas, tal vez paladio-117 y paladio-118 más algunos neutrones.
Pero aquí está la parte extraña: si nos fijamos en la masa del U-236 original y la masa de todas las piezas, no son iguales.
La masa de los dos átomos de paladio más los neutrones es menor que la masa del uranio.
Entonces, la masa no se conserva, pero la energía sí.
De aquí surge la famosa ecuación E = mc2, donde c es la velocidad de la luz (aproximadamente 300,000 kms/seg).
Una pérdida de masa en el sistema de partículas simplemente significa que hay un aumento de algún otro tipo de energía.
Una pérdida de masa en el sistema de partículas simplemente significa que hay un aumento de algún otro tipo de energía.
En este caso, se trata de un aumento de la energía cinética de las partículas resultantes.
Como el valor de c es tan grande, una pequeña disminución de masa produce un enorme aumento de energía cinética.
Ahora puedes usar esa energía para calentar agua y producir vapor.
Este vapor se utiliza luego para hacer girar una turbina eléctrica.
Obtienes esta energía simplemente convirtiendo masa en energía;
es tan loco que casi parece que estás obteniendo energía gratis.
Aunque pueda parecer una forma perfecta de conseguir algo de energía eléctrica, existe un pequeño problema.
Aunque pueda parecer una forma perfecta de conseguir algo de energía eléctrica, existe un pequeño problema.
Ahora tienes este paladio sobrante y cosas que son tanto radiactivas como químicamente activas.
Nadie quiere estar cerca de sustancias químicas radiactivas peligrosas, pero estos residuos nucleares deben almacenarse en un lugar seguro.
No es tan sencillo como meterlo en una caja y enterrarla a la basura, porque puede permanecer radiactivo durante miles de años.
Imagínese construir una caja que mantenga las cosas contenidas durante tanto tiempo y verá el problema.
Pero es el precio que se paga por una energía aparentemente "gratuita".
Entonces, ¿qué central eléctrica es la mejor?
Entonces, ¿qué central eléctrica es la mejor?
En este punto, no hay una respuesta clara, excepto que los combustibles fósiles son probablemente la peor opción.
Ojalá podamos encontrar algo para el futuro.
