8. ¿Qué es la energía?

¿QUÉ ES LA ENERGÍA?
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La idea de qué es la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Qué solemos entender por energía . . . . . . . . . . . . . .
Matices al hablar de la energía . . . . . . . . . . . . . . . .
Primer Principio y Segundo Principio de la Termodinámica
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La idea de qué es la energía
La idea principal con la que debemos trabajar podría resumirse:
DEF. Energía
La energía es la capacidad bruta de realizar un trabajo.
“Bruta” porque no toda la energía que un cuerpo tiene se podría transformar en trabajo, aunque se quisiera. Hay que desperdiciar parte (lo dice el Segundo Principio de la
Termodinámica, ver sección 4).
Trabajo es lo que se hace cuando se realiza un proceso venciendo una resistencia. Es
decir, vencer una resistencia en una evolución de cualquier tipo se llama hacer trabajo. Por ejemplo, para levantar un objeto del suelo uno tiene que vencer el peso de ese
objeto, que se ‘resiste’ a ser levantado, por lo que se hace un trabajo.
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Qué solemos entender por energía
Aunque toda la materia del universo tiene energía, cuando hablamos de energía, solemos
pensar en la energía tal y como aparece en nuestra vida cotidiana, es decir: pensando en cómo la usamos. Normalmente pensamos en cómo la usamos los seres vivos (para movernos,
crecer, pensar, etc.) y en cómo la usan las máquinas, como por ejemplo los coches.
Así, nos solemos interesar por cuánta energía tiene un alimento determinado, o una cierta
cantidad de combustible. También es frecuente que nos interese conocer cuánta energía nos
costará realizar determinado proceso, para poder calcular si tendremos suficiente.
DEF. Trabajo
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Matices al hablar de la energía
Energía y formas de energía. La energía es una idea: es una propiedad que tienen los cuerpos, que puede manifestarse de maneras muy diversas, que llamaremos formas de energía: energía mecánica, energía química, energía interna, energía nuclear. . . Lo importante es no confundir lo que la energía es, con la forma en que se presenta.
DEF. formas de
energía
Muchos procesos fundamentales en la industria consisten en pasar la energía que existía originalmente en una forma concreta, a otra de sus formas posibles. Por ejemplo,
cuando transformamos la energía química de la gasolina en energía mecánica que mueve las ruedas de un coche. En ambos casos se trata de la misma propiedad, la energía,
pero en formas diferentes.
Energía y uso de la energía. Por nuestra manera de hablar en la vida cotidiana, es frecuente
confundir la energía en sí con cómo se usa.
Cuando un ser vivo o una máquina utiliza energía para realizar un proceso
como moverse, levantar pesos o cualquier otra cosa, hay que distinguir dos
cosas: a) cuánta energía consume, y b) cuánta de verdad se invierte en el
proceso realizado.
Por ejemplo: Levantar un determinado peso puede requerir 100 julios de energía, pero
un ser humano o una máquina que lo levantase consumiría más, tal vez 120 ó 130 julios. Esto es debido a que siempre que se usa energía para realizar un proceso, hay una
proporción de ella que se desperdicia.
Si estamos hablando desde el punto de vista de un suministrador de energía, como una
empresa petrolera o una empresa eléctrica, tendremos en cuenta la energía que suministramos al consumidor. Si hablamos desde el punto de vista de éste, normalmente
nos interesa la energía que realmente nos resulta útil en nuestra actividad.
Por ejemplo, el suministrador de combustibles nos cobra los litros de gasolina o gasóleo que vertemos al depósito de nuestro vehículo, que son una
manera de medir la energía que contienen. Sin embargo, cuando compramos
un coche, nos solemos fijar en la cantidad de energía por unidad de tiempo que
el coche puede llevar a las ruedas: la potencia del motor.
La relación entre ambos conceptos: la energía que se invierte realmente en realizar un
proceso y la energía total que se consume, se llama rendimiento o eficiencia, depen-
DEF.
rendimiento
o
eficiencia
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diendo del contexto. Una máquina es mejor –energéticamente hablando– cuanto mayor rendimiento tiene, porque eso quiere decir que desperdicia menos energía.
Energía y transmisión de la energía. Es frecuente que cuando hablamos de energía en realidad estemos hablando de los procesos por los cuales la energía pasa de unos cuerpos
a otros: calor y trabajo.
El calor es un mecanismo de transmisión de energía, que necesita una diferencia de
temperaturas entre los dos cuerpos que van a intercambiar energía para tener lugar. La
energía pasará del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.
DEF. calor
El trabajo es otro mecanismo de transmisión de energía, relacionado con vencer una resistencia a un proceso. Estamos acostumbrados a la noción de trabajo mecánico, en el
que la resistencia viene dada muchas veces por la fuerza de la gravedad, que es necesario vencer para levantar cuerpos, y también por el rozamiento, que también es necesario
vencer para desplazarlos. Pero hay también trabajo eléctrico, magnético, etc.
DEF. trabajo
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Primer Principio y Segundo Principio de la Termodinámica
El Primer Principio de la Termodinámica explica de qué manera y en qué medida varía la
energía de un cuerpo debido a las interacciones energéticas con su entorno.
En un cuerpo que está en reposo y cuya masa no cambia, la variación de
su energía interna en un proceso determinado es la suma del calor y el
trabajo que ha recibido durante el proceso.
Si el cuerpo no está en reposo, es necesario tener en cuenta la energía mecánica asociada a su movimiento en el balance de calor y trabajo. Si puede entrar o salir masa del cuerpo,
como en un recipiente al que se vierte un fluido, por ejemplo, es necesario contar la energía
que entra o sale de él en las corrientes que entran o salen.
Podría parecer que el Primer Principio es algo evidente, sin embargo no lo es. En primer
lugar, introduce una magnitud, la energía interna de un cuerpo, que hace referencia, como
conjunto, a infinidad de fenómenos y características microscópicos del cuerpo, que pueden
ser de naturalezas muy dispares. En segundo lugar, indica que hay una correspondencia entre la energía contenida en el trabajo y la contenida en el calor. Esto no tendría por qué ser
así necesariamente, y de hecho, aunque hoy nos resulta evidente, fue necesario demostrarlo
DEF.
Primer
Principio de la
Termodinámica
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empíricamente. En tercer lugar, el Primer Principio no define una escala de energía, puesto
que no indica cuál es el valor de la energía de los cuerpos, solo cuánto crece o decrece al intercambiar calor o trabajo.
El Segundo Principio de la Termodinámica completa la explicación de cómo tienen lugar los
intercambios energéticos entre los cuerpos mediante una magnitud adicional llamada entropía. La relación energía interna-calor-trabajo del Primer Principio solo la explica parcialmente.
El Segundo Principio es en realidad una idea que ha sido expresada de múltiples formas,
a las que se ha llamado Postulados. La más general es la de Rudolf Clausius:
Es imposible la transmisión de calor de un cuerpo de menos temperatura
a otro de más temperatura sin realizar otro efecto.
La trascendencia de esta idea, que podría parecer algo evidente, es enorme. Dice, en otras
palabras, que los procesos ocurren en un sentido natural determinado, espontáneo, y que
si se desea alterarlo, es necesario que intervengan factores externos.
Tiene especial trascendencia cuando se desea convertir energía en forma de calor en trabajo, que es lo que hacen multitud de máquinas a nuestro alrededor. Los motores de combustión, por ejemplo, reciben calor de una reacción química y lo transforman en trabajo mecánico.
Es interesante conocer el Postulado de Kelvin-Planck:
Es imposible todo proceso cíclico que no haga otro efecto que tomar calor
de una fuente térmica de temperatura uniforme y transformarlo íntegramente en trabajo.
Coloquialmente, podemos interpretar que esto quiere decir que siempre que se convierta
calor en trabajo mediante procesos cíclicos, es necesario desperdiciar parte de la energía del
calor: nunca vamos a lograr convertirlo todo en trabajo. Esto es importante:
El Primer Principio solamente tiene en cuenta a la energía contenida en el
calor y en el trabajo de un proceso. El Segundo añade que estas energías
tienen que guardar una relación entre sí: que los valores de una no son independientes de los de la otra.
DEF. Segundo
Principio
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Sin emabrgo, no existe una relación universal entre calor y trabajo. Es necesario calcularla
para cada proceso y para las sustancias que intervienen en él. Pero hay un criterio general:
Cuando se desee convertir calor en trabajo, se logrará más eficiencia cuanto mayor sea la temperatura a la que se intercambie el calor.
Este criterio nace del origen del Segundo Principio, el trabajo de Sadi Carnot. La idea de
que se puede obtener más trabajo si el calor de origen se absorbe a mayor temperatura está detrás de muchísimos procesos de ingeniería. Los motores de reacción son más eficientes
cuanto mayor es la temperatura que se alcanza en la cámara de combustión, los motores alternativos también, las centrales solares térmicas funcionan mejor cuanto mayor es la temperatura del fluido caloportador, etc.
Buena parte de la investigación en las áreas de energía se centra, precisamente, en inventar maneras de hacer que las máquinas absorban calor a la mayor temperatura posible,
descubriendo nuevos diseños de cámaras de combustión, nuevos materiales capaces de soportarla, nuevos fluidos que no se descompongan a alta temperatura, etc.