TIPOS DE ENERGIA
Energía para sistemas cerrados |
Capacidad de un sistema físico para realizar
trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento
o de su posición en relación con las fuerzas que actúan
sobre ella. La radiación electromagnética posee energía
que depende de su frecuencia y, por tanto, de su longitud de onda. Esta energía
se comunica a la materia cuando absorbe radiación y se recibe de la materia
cuando emite radiación. La energía asociada al movimiento se conoce
como energía cinética, mientras que la relacionada con la posición
es la energía potencial. Por ejemplo, un péndulo que oscila tiene
una energía potencial máxima en los extremos de su recorrido;
en todas las posiciones intermedias tiene energía cinética y potencial
en proporciones diversas. La energía se manifiesta en varias formas,
entre ellas la energía mecánica (véase Mecánica),
térmica (véase Termodinámica),
química (véase Reacción química), eléctrica
(véase Electricidad), radiante (véase
Radiación) o atómica (véase
Energía nuclear). Todas las formas de energía pueden convertirse
en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación
puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece
constante.
Un peso suspendido de una cuerda tiene energía potencial debido a su
posición, puesto que puede realizar trabajo al caer. Una batería
eléctrica tiene energía potencial en forma química. Un
trozo de magnesio también tiene energía potencial en forma química,
que se transforma en calor y luz si se inflama. Al disparar un fusil, la energía
potencial de la pólvora se transforma en la energía cinética
del proyectil. La energía cinética del rotor de una dinamo o alternador
se convierte en energía eléctrica mediante la inducción
electromagnética. Esta energía eléctrica puede a su vez
almacenarse como energía potencial de las cargas eléctricas en
un condensador o una batería, disiparse en forma de calor o emplearse
para realizar trabajo en un dispositivo eléctrico. Todas las formas de
energía tienden a transformarse en calor, que es la forma más
degradada de la energía. En los dispositivos mecánicos la energía
no empleada para realizar trabajo útil se disipa como calor de rozamiento,
y las pérdidas de los circuitos eléctricos se producen fundamentalmente
en forma de calor.
Las observaciones empíricas del siglo XIX llevaron a la conclusión
de que aunque la energía puede transformarse no se puede crear ni destruir.
Este concepto, conocido como principio de conservación de la energía,
constituye uno de los principios básicos de la mecánica clásica.
Al igual que el principio de conservación de la materia, sólo
se cumple en fenómenos que implican velocidades bajas en comparación
con la velocidad de la luz. Cuando las velocidades se empiezan a aproximar a
la de la luz, como ocurre en las reacciones nucleares, la materia puede transformarse
en energía y viceversa (véase Relatividad). En la física
moderna se unifican ambos conceptos, la conservación de la energía
y de la masa.
Energía nuclear, energía liberada durante la fisión o fusión
de núcleos atómicos. Las cantidades de energía que pueden
obtenerse mediante procesos nucleares superan con mucho a las que pueden lograrse
mediante procesos químicos, que sólo implican las regiones externas
del átomo.
La energía de cualquier sistema, ya sea físico, químico
o nuclear, se manifiesta por su capacidad de realizar trabajo o liberar calor
o radiación. La energía total de un sistema siempre se conserva,
pero puede transferirse a otro sistema o convertirse de una forma a otra.
Hasta el siglo XIX, el principal combustible era la leña, cuya energía
procede de la energía solar acumulada por las plantas. Desde la Revolución
Industrial, los seres humanos dependen de los combustibles fósiles —carbón
o petróleo—, que también constituyen energía solar
almacenada. Cuando se quema un combustible fósil como el carbón,
los átomos de hidrógeno y carbono que lo constituyen se combinan
con los átomos de oxígeno del aire; se produce agua y dióxido
de carbono y se libera calor, unos 1,6 kilovatios hora por kilogramo de carbón,
o unos 10 electrovoltios (eV) por átomo de carbono. Esta cantidad de
energía es típica de las reacciones químicas que corresponden
a cambios en la estructura electrónica de los átomos. Parte de
la energía liberada como calor mantiene el combustible adyacente a una
temperatura suficientemente alta para que la reacción continúe.
Energía solar, energía radiante producida en el Sol como resultado
de reacciones nucleares de fusión (véase Energía nuclear;
Sol). Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía
llamados fotones (véase Radiación electromagnética; Fotón),
que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La
intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera,
si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se
llama constante solar, y su valor medio es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas
2 cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser
que varía un 0,2% en un periodo de 30 años. La intensidad de energía
real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido
a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina
la interacción de los fotones con la atmósfera.
La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de
la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año,
de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar
que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.
Energía renovable, también llamada energía alternativa
o blanda, este término engloba una serie de fuentes energéticas
que en teoría no se agotarían con el paso del tiempo. Estas fuentes
serían una alternativa a otras tradicionales y producirían un
impacto ambiental mínimo, pero que en sentido estricto ni son renovables,
como es el caso de la geotermia, ni se utilizan de forma blanda. Las energías
renovables comprenden: la energía solar, la hidroeléctrica (se
genera haciendo pasar una corriente de agua a través de una turbina),
la eólica (derivada de la solar, ya que se produce por un calentamiento
diferencial del aire y de las irregularidades del relieve terrestre), la geotérmica
(producida por el gradiente térmico entre la temperatura del centro de
la Tierra y la de la superficie), la hidráulica (derivada de la evaporación
del agua) y la procedente de la biomasa (se genera a partir del tratamiento
de la materia orgánica).
Energía potencial, energía almacenada que posee un sistema como
resultado de las posiciones relativas de sus componentes. Por ejemplo, si se
mantiene una pelota a una cierta distancia del suelo, el sistema formado por
la pelota y la Tierra tiene una determinada energía potencial; si se
eleva más la pelota, la energía potencial del sistema aumenta.
Otros ejemplos de sistemas con energía potencial son una cinta elástica
estirada o dos imanes que se mantienen apretados de forma que se toquen los
polos iguales.
Para proporcionar energía potencial a un sistema es necesario realizar
un trabajo. Se requiere esfuerzo para levantar una pelota del suelo, estirar
una cinta elástica o juntar dos imanes por sus polos iguales. De hecho,
la cantidad de energía potencial que posee un sistema es igual al trabajo
realizado sobre el sistema para situarlo en cierta configuración. La
energía potencial también puede transformarse en otras formas
de energía. Por ejemplo, cuando se suelta una pelota situada a una cierta
altura, la energía potencial se transforma en energía cinética.
La energía potencial se manifiesta de diferentes formas. Por ejemplo,
los objetos eléctricamente cargados tienen energía potencial como
resultado de su posición en un campo eléctrico. Un explosivo tiene
energía potencial química que se transforma en calor, luz y energía
cinética al ser detonado.
Energía hidráulica, energía que se obtiene de la caída
del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento
de ruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un recurso
natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su
desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación,
y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad
(véase Generación y transporte de electricidad). Todo ello implica
la inversión de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva
en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos, aunque
el coste de mantenimiento de una central térmica, debido al combustible,
sea más caro que el de una central hidroeléctrica. Sin embargo,
el peso de las consideraciones medioambientales centra la atención en
estas fuentes de energía renovables.
Energía de enlace, en física nuclear, la energía total
necesaria para separar completamente los neutrones y protones que constituyen
el núcleo de un átomo (véase Energía nuclear). La
misma cantidad de energía se libera cuando estas partículas se
combinan para formar un núcleo, con una ligera pérdida de masa.
Según la relación de equivalencia de Einstein, la energía
de enlace es igual a la diferencia de masa multiplicada por el cuadrado de la
velocidad de la luz. Los átomos más estables son los que tienen
una mayor energía de enlace media (o promedio) por partícula nuclear.
Energía cinética, energía que un objeto posee debido a
su movimiento. La energía cinética depende de la masa y la velocidad
del objeto según la ecuación
E = ?mv2
donde m es la masa del objeto y v2 la velocidad del mismo elevada al cuadrado.
El valor de E también puede derivarse de la ecuación
E = (ma)d
donde a es la aceleración de la masa m y d es la distancia a lo largo
de la cual se acelera. Las relaciones entre la energía cinética
y la energía potencial, y entre los conceptos de fuerza, distancia, aceleración
y energía, pueden ilustrarse elevando un objeto y dejándolo caer.
Cuando el objeto se levanta desde una superficie se le aplica una fuerza vertical.
Al actuar esa fuerza a lo largo de una distancia, se transfiere energía
al objeto.