Múltiples formas de energía

La energía mecánica

La energía mecánica es aquella que se relaciona con el movimiento y se distingue entre la cinética y la potencial.

Un camión circulando, una pelota describiendo un arco, un meteorito viajando por el espacio, un atleta corriendo, una rueda que gira: todos estos ejemplos se relacionan con movimiento. En estos casos se habla de energía cinética.

Por otra parte, está la energía mecánica potencial, como el agua almacenada en un embalse, que puede mover una turbina hidráulica si se la descarga a un nivel inferior; entre más alto se encuentre el embalse, mayor será su energía potencial.

La energía electromagnética

Los colores de los objetos, las ondas de radio y los rayos X son ejemplos de ondas electromagnéticas, que al ordenarse de acuerdo a ciertas características constituyen lo que se denomina espectro electromagnético. Estas ondas se clasifican según su longitud. En un extremo están las de mayor longitud de onda, las de radio (que pueden medir cientos de metros) y las microondas; en el otro, las de menor longitud: el infrarrojo, la luz visible, el ultravioleta, los rayos X y los rayos Gamma (cercanos a 0,00000000000001 metros (10-14 m). La onda es más energética cuanto menor sea su longitud.

La luz visible, la que capta el ojo humano, ocupa una parte pequeña del espectro electromagnético. El color violeta tiene una longitud de onda de 380 a 450 nm y el rojo, una de 620 a 755 nm. El ojo no es capaz de captar el ultravioleta ni el infrarrojo, que tienen longitudes de onda más cortas o más largas que estos valores.

Las longitudes de algunas ondas son tan pequeñas que se usa la unidad denominada nanómetro (nm), que equivale a una mil millonésima parte de un metro (1 nm = 10-9 m).

 

La energía química

Esta energía está asociada a los enlaces que existen entre los átomos que forman las distintas sustancias o compuestos (moléculas) y además entre las partes de un átomo. Se puede transformar en calor a través de reacciones químicas exotérmicas, es decir, que liberan calor. La reacción más útil y conocida es la combustión, por ejemplo la que ocurre en una fogata o al calentar el agua en una cocina a gas; es esta misma energía la que permite generar electricidad en plantas termoeléctricas. También existen procesos electroquímicos que generan directamente energía eléctrica a partir de reacciones químicas. Es lo que ocurre en las pilas que se usan en algunos juguetes, teléfonos celulares y en las baterías de vehículos.

Algo similar ocurre en las “celdas de combustibles” que producen electricidad directamente al oxidar substancias químicas.

Una de las mayores ventajas de la energía química es que permite almacenar gran cantidad de ella en pequeñas masas o volúmenes; es el caso del petróleo y el carbón, los que además son fáciles de transportar. Las pilas y baterías constituyen otra forma fácil de almacenarla.

La energía nuclear

La energía nuclear proviene del núcleo atómico, de ahí su nombre. En un reactor nuclear esta forma de energía se transforma en térmica, y posteriormente puede ser convertida en electricidad. La energía nuclear es de gran intensidad y cantidad, a pesar del pequeño tamaño del núcleo atómico; bien controlada se puede usar para generar otras formas de energía muy útiles al ser humano.

Hay tres tipos generales de reacciones nucleares: decaimiento radiactivo, fisión y fusión:

– Decaimiento radiactivo: un núcleo atómico inestable libera partículas y/o fotones, transformándose en uno más estable. Este proceso es paulatino, pudiendo ser lento o muy rápido.

– Fisión: consiste en la ruptura de un núcleo pesado, que se hace inestable por la absorción de un neutrón externo, dando origen a dos núcleos más livianos. Se usa en los reactores nucleares.

– Fusión: dos núcleos livianos se combinan para producir otro más pesado.

La energía térmica

El calor es una de las formas corrientes de uso final de la energía; además tiene la cualidad de que cualquier otra forma de energía se puede transformar completamente en energía térmica, pero no al revés. La energía eléctrica se convierte íntegramente en calor en una estufa; sin embargo el calor que proviene de otras fuentes, como la geotérmica, no puede convertirse cien por ciento en electricidad. Las estufas o calefactores son algunas de las formas de uso diario de este tipo de energía.

La energía térmica está contenida en el movimiento y la vibración de los átomos y moléculas; depende de la temperatura y del estado de agregación o fase de la materia (sólido, líquido o gaseoso). Se usa la palabra “calor” para referirse a la energía que viaja de un sistema a otro debido a la diferencia de temperatura entre ellos.

La energía eléctrica

Los aparatos usados en las viviendas, tales como lámparas, televisores, o computadores están conectados a una red eléctrica.

La energía eléctrica está asociada al flujo de electrones que se mueven, a través de un conductor que, por lo general es un cable de cobre, el cual conecta los aparatos a la red pública. Los electrones, portadores de energía eléctrica, la transfieren al dispositivo diseñado para eso (lámpara, radio, juguera), y luego ella se transforma en luz, sonido, movimiento, calor, etc.

La energía eléctrica que se consume se mide en una unidad llamada kWh (kilo Watt hora), es decir, la energía entregada por un flujo de 1 kW durante 1 hora; un kWh equivale a 3.600 kJ (kilo Joule).

La energía eléctrica es tan utilizada porque se convierte eficientemente en otras formas de energía, como mecánica, térmica y lumínica (electromagnética). También es fácilmente transportable; sin embargo, su almacenamiento directo en grandes cantidades es difícil y de alto costo.

Pilas eléctricas

La pila es un dispositivo capaz de convertir la energía química de sus componentes en energía eléctrica. Aunque existen diversos tipos de ellas, todas constan de un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo) y un electrolito.

Electrolito es una sustancia que puede ser líquida o pastosa, que permite el movimiento de partículas cargadas eléctricamente (iones) pero no de electrones. Electrodo es un conductor eléctrico (un metal, por ejemplo, zinc).

El funcionamiento de una pila se basa en el flujo de iones que se mueven entre el ánodo (-) y el cátodo (+) a través del electrolito, y electrones que circulan por el circuito cuando este se cierra.

Existen pilar recargables y no recargables; la diferencia entre ellas se refiere a que la reacción química de sus componentes puede ser reversible o irreversible respectivamente.

Los elementos con los cuales se construye una pila son variados, puede ser carbón, magnesio, zinc, plomo, mercurio, ácido sulfúrico u otros; algunos de estos pueden ser dañinos para el ser humano o para el medioambiente, por lo cual es recomendable botar las pilas que no sirven en lugares especiales para ello.

Una batería es un dispositivo que contiene varias pilas.

Magnetismo y electricidad

El imán ha sido conocido desde la Antigüedad. Los griegos observaron que la magnetita atraía a las partículas de hierro y los chinos le dieron una aplicación práctica a través de la brújula, que ha sido de gran utilidad para la navegación, y cuya aguja se orienta hacia el polo magnético norte de la Tierra.

A principios del siglo XIX, el físico danés H.C. Oersted estudió la relación entre los imanes y las corrientes eléctricas, descubriendo que estas últimas generaban campos magnéticos, al igual que los imanes. Estos constan de dos polos, uno norte y otro sur; alrededor de ellos se forman un campo magnético, donde ejercen su fuerza de atracción. Posteriormente, M. Faraday demostró el proceso inverso, es decir, que un campo magnético puede producir una corriente eléctrica.

Los fenómenos donde están relacionados los campos eléctricos y los magnéticos se denominan electromagnéticos.

La variedad de la materia

El oxígeno, el hidrógeno, el carbono, el cobre, el oro, el uranio, entre otros, son elementos químicos, lo que significa que son sustancias compuestas por átomos iguales entre sí y que no pueden descomponerse en otros elementos. Distintos son los compuestos químicos o sustancias conformadas por átomos de diferente naturaleza, como sucede con el agua que está constituida por átomos de oxígeno y de hidrógeno; la unión de dos o más átomos forma una molécula. Los elementos y los compuestos conforman la materia en las diferentes variedades que se conocen. La masa se define como la cantidad de materia que tiene un cuerpo.

Image

Existe distinto estado de agregación de las moléculas: en la materia gaseosa, las moléculas están muy dispersas o desagregadas; lo contrario ocurre en la materia sólida. El agua es un elemento que puede existir en las tres fases: sólida (hielo), líquida (agua) y gaseosa (vapor de agua). 

Image

La unidad de energía en el Sistema Internacional de unidades (SI) es el Joule (J) y la de potencia es el Watt (W); un Watt es igual a un Joule por segundo. Kilo Watt (kW) = mil Watt (1 kW = 103 W) Mega Watt (MW) = un millón de Watt (1 MW = 106 W) Giga Watt (GW) = mil millones de Watt (1 GW = 109 W) Tera Watt (TW)= un millón de millones de Watt (1 TW = 1012 W)