6. La energía en los sistemas materiales
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LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS MATERIALES Contenidos 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Las sustancias como almacenes de energía Energía mecánica: cinética y potencial . . . Energía interna . . . . . . . . . . . . . . . Energía térmica . . . . . . . . . . . . . . . Energía química y nuclear . . . . . . . . . . Energía eléctrica y electromagnética . . . . Una intuición de lo que es la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Educadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cinética Energía mecánica Potencial Térmica Formas de energía Química Eléctrica Energía interna La energía de una sustancia está almacenada de todas las formas posibles Electromagnética Intuición de qué es energía ... Nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 4 5 6 7 LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS MATERIALES 1 2 Las sustancias como almacenes de energía Cualquier cuerpo tiene energía. Sin embargo, la energía no es una capacidad ligada a una única propiedad física sino a muchas y muy distintas, cada una de las cuales da lugar a una forma distinta de energía: Los cuerpos tienen su energía almacenada de varias maneras a la vez, que llamamos formas de energía. Pensemos sobre esta idea un poco más. Todos sabemos que los cuerpos que se mueven tienen energía cinética. Supongamos que observamos un recipiente lleno de una sustancia que se está moviendo, como el vagón-depósito de un tren de mercancías. Estaremos de acuerdo en que tiene energía cinética. ¿Y si la sustancia que hay dentro del depósito fuese gasolina? ¿Sólo tendría energía cinética? Hay dos formas básicas de almacenar la energía: energía interna y energía mecánica. Como veremos en las siguientes secciones, la energía mecánica está asociada o bien a la velocidad con la que se mueve un cuerpo o bien a la altura a la que se encuentra respecto al suelo. Pero todos sabemos que un cuerpo quieto y posado en el suelo también tiene energía. Esa es la energía a la que llamamos interna. La energía interna es la suma de la energía que tiene el cuerpo asociada a muchos fenómenos, algunos de los cuales se pueden explicar por separado del resto, y las maneras en que se relacionan con la energía también las llamamos formas de energía. Algunas de estas formas están estrechamente ligadas a cómo es esa sustancia microscópicamente, otras a un estado concreto. Un cuerpo tiene su energía repartida entre todas las formas de energía, pero la proporción en que se reparte es característica de cada sustancia. A veces asociamos algunas sustancias a una forma de energía concreta. Por ejemplo, asociamos los combustibles fósiles con la energía química. Pero esto no quiere decir que solo tengan energía almacenada de esa forma, sino que tienen mayor proporción o, simplemente, que nos resulta más fácil de extraer que de las otras y por eso nos fijamos más. LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS MATERIALES 2 3 Energía mecánica: cinética y potencial La energía mecánica puede ser de dos tipos: cinética o potencial. Ambos son protagonistas de nuestra vida cotidiana: La energía cinética es la que tienen los cuerpos almacenada en su propio movimiento. La energía es mayor cuanta más masa tengan y más rápidamente se muevan. Un cuerpo muy ligero que se mueva despacio apenas tiene energía cinética, mientras que uno muy pesado que además se desplace a gran velocidad, tiene mucha energía. La energía potencial está asociada a la posición que tenga el cuerpo respecto al suelo. Si un cuerpo está muy alto, tiene mucha energía y si está en el suelo, no tiene nada. Podría parecer que un cuerpo que está quieto no tiene energía, esté alto o bajo, sin embargo debemos pensar que ese cuerpo podría caerse. Durante la caída se iría moviendo cada vez más rápidamente. Justo antes de tocar el suelo alcanzaría su máxima velocidad. Es decir, que habríamos pasado de un cuerpo situado a cierta altura y quieto, a uno muy bajo y moviéndose muy rápido, es decir: con energía cinética. ¿De dónde habría salido esta energía? Es la energía potencial que tenía el cuerpo originalmente, que se ha transformado en energía cinética: la altura se ha transformado en velocidad. 3 Energía interna Dicho de la forma más directa posible, la energía interna de un cuerpo es la que no tiene que ver con su energía mecánica. En otras palabras: La energía interna es la suma de las energías que tiene un cuerpo asociadas a cada una de las propiedades y fenómenos microscópicos que tienen lugar en él. LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS MATERIALES 4 Estos fenómenos son innumerables: la naturaleza de las moléculas que lo forman, la velocidad con que se desplazan, rotan y vibran, la posición relativa de unas moléculas respecto a otras, etc. Algunos fenómenos que contribuyen a la energía interna de un cuerpo son en realidad mecánicos, pero se incluyen en la energía interna porque ocurren a nivel microscópico. En ocasiones es útil estudiar específicamente la relación entre algunos de los fenómenos y propiedades microscópicas de los cuerpos y la energía. Esto permite distinguir algunas formas de energía dentro de la energía interna: energía térmica, energía química, energía nuclear, energía eléctrica y energía electromagnética. La naturaleza microscópica de la energía interna, y el hecho de ser una propiedad agregada de tantos aspectos heterogéneos hace que no podamos saber cuánta energía interna tienen los cuerpos. Es posible que ni siquiera tuviese sentido preguntárselo: Lo que sí está fijado por el Primer Principio de la Termodinámica es cuánto varía la energía interna de un cuerpo cuando éste recibe una cierta cantidad de calor o hace un determinado trabajo. Cuando calentamos algo, como cuando calentamos la comida en un microondas, en realidad le estamos aportando una energía que la sustancia almacena como energía interna. Pero no solo podemos aumentar la energía de un cuerpo calentándolo, también podemos hacerlo aportándole un trabajo de cualquier tipo. Por ejemplo, un trabajo disipativo como el que hace el rozamiento del aire de la atmósfera sobre los transbordadores espaciales cuando retornan en caída libre a la Tierra. El funcionamiento microscópico de un cuerpo cambiará si aumentamos o disminuimos su energía interna, pero en general no sabemos de qué forma exactamente. Esto dependerá de la magnitud del cambio, de si hemos aportado calor o trabajo, de la presión y temperatura a la que hayamos llevado a cabo el proceso y de la propia sustancia de la que estuviese hecho el cuerpo. LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS MATERIALES 4 5 Energía térmica La energía térmica es la energía cinética que tienen los átomos o las moléculas de una sustancia. Está directamente relacionada con la temperatura de los cuerpos. Así que cuando aportamos energía a un cuerpo e incrementamos su temperatura, quiere decir que las moléculas se mueven más rápidamente para poder almacenar esta energía. El movimiento de las moléculas de una sustancia es muy complejo, porque no solo se trasladan por el espacio chocando entre sí y con las moléculas del exterior, sino que también vibran y rotan, todo a la vez. Puede ocurrir que varias moléculas se muevan juntas, que el movimiento de unas afecte a las que se encuentren cerca, etc. Lógicamente, las moléculas no son igual de libres para moverse en unos cuerpos que en otros, dependiendo de si el cuerpo es sólido, líquido o gas, o si está hecho de una u otra sustancia, por lo que el tipo de movimiento molecular predominante será distinto en unos que en otros. El movimiento de traslación será predominante en gases, especialmente si se encuentran a muy baja presión. En sólidos, en que las moléculas están organizadas espacialmente en estructuras geométricas más o menos regulares, el movimiento predominante será la vibración. 5 Energía química y nuclear La energía química tiene que ver con cómo es una sustancia a nivel molecular, es decir: con qué átomos la forman y de qué manera están unidos. Cuando las moléculas de algunas sustancias entran en contacto, pueden reaccionar químicamente, que es como decimos que los átomos se recombinan, y se enlazan unos con otros de otra manera. Como resultado de estos cambios, las sustancias que resultan de la reacción son distintas de las que había al principio. Durante las recombinaciones de los enlaces entre átomos puede liberarse cierta cantidad de energía que servía para mantener unidas las moléculas antiguas y que las de las nuevas sustancias ya no necesitan. También puede ocurrir lo contrario: que LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS MATERIALES 6 fabricar los enlaces para construir las nuevas sustancias a partir de las antiguas necesite que aportemos energía del exterior. Algo parecido ocurre con la energía nuclear, solo que en este caso la energía no está en las fuerzas entre átomos y moléculas, sino a las que mantienen unidos los núcleos de los átomos en sí. En una reacción nuclear, el núcleo de un átomo de una sustancia se convierte en el núcleo de otra. Esto ocurre porque en la reacción cambian las partes que lo forman, que se recombinan. De un núcleo pueden surgir varios o al revés. Como ocurría en las reacciones químicas, estos procesos pueden liberar energía o absorberla, dependiendo de las sustancias y del tipo de reacción de que se trate. 6 Energía eléctrica y electromagnética La energía eléctrica está asociada a los electrones que tienen los cuerpos. Si un cuerpo tiene los electrones justos no está cargado, pero si tiene muchos o muy pocos se dice que tiene carga negativa o positiva respectivamente. Si se intenta añadir un electrón nuevo a un cuerpo donde ya había muchos es necesario aportar energía. Las cargas del mismo signo tienden a separarse de forma natural y para concentrarlas es necesario invertir esta tendencia. Por eso un cuerpo tiene más energía cuanta más carga tiene. En nuestro mundo, es muy habitual que hablemos de que una batería esté cargada o no. La batería de un teléfono móvil o de un ordenador portátil, o de cualquier otro aparato. Estos son cuerpos un poco especiales, en los que lo que ocurre realmente es que hay dos partes, una de las cuales tiene muchos electrones (carga negativa) y otra muy pocos (carga positiva). La energía electromagnética está asociada a las cargas eléctricas también, pero no a que existan o no propiamente dicho, sino a que estén moviéndose. DEF. energía eléctrica LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS MATERIALES 7 Cuando un cuerpo que está cargado eléctricamente se mueve, transforma el espacio que le rodea. En este espacio transformado, otras cargas que se muevan cerca tenderán a alterar su movimiento o bien sintiéndose atraídas hacia la primera o despedidas en dirección opuesta. Por eso, si se obliga a una carga a moverse en contra de su tendencia natural, es necesario aportar energía, mientras que se puede obtener energía de una que lo hace a favor. 7 Una intuición de lo que es la energía Como sabemos, la energía es la capacidad bruta de un cuerpo para hacer trabajo. Aunque esta idea es correcta, es muy abstracta: no resulta fácil imaginar cómo se relaciona la energía con enlaces químicos, fuerzas mecánicas o fuerzas eléctricas. Vamos a tratar de desarrollar una intuición: Cuando un cuerpo tiene energía, podemos imaginar que se encuentra contenido. Esto hay que entenderlo en el sentido de que el cuerpo se encuentra de una manera que no es la que adoptaría espontáneamente. Como cuando sujetamos una goma elástica muy estirada. En el caso de la goma, vemos claramente que el motivo de que almacene energía es porque nosotros la sujetamos haciendo fuerza. Si dejásemos de sujetarla, la goma liberaría su energía espontáneamente y evolucionaría hacia otro estado. Podemos imaginar que lo que sucede con los cuerpos en general es muy parecido, solo que además de fuerzas macroscópicas, que actúan sobre todo un cuerpo, también intervienen otras a nivel microscópico: mecánicas, eléctricas, electromagnéticas o mecánicas microscópicas, que actúan entre los átomos, las moléculas o incluso las partículas más pequeñas. ¿Qué fuerzas las contienen, como hacíamos nosotros con la goma? Los cuerpos se mantienen cargados eléctricamente, o en un estado de tensión mecánica, o a una cierta temperatura por múltiples motivos, todos ocurriendo simultáneamente. La fuerza que ejercen las moléculas del aire que rodea los cuerpos ayuda a mantenerlos unidos; la propia estructura cristalina de los sólidos también, las fuerzas de interacción entre LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS MATERIALES 8 las moléculas en los fluidos, como por ejemplo la tensión superficial, y así podríamos seguir. Si no fuera por esto, las sustancias se desintegrarían, los cuerpos cargados perderían su carga y así sucesivamente. Y en realidad esto es lo que ocurre todo el tiempo, solo que no nos damos cuenta porque ocurre tan despacio que nos parece que los cuerpos y las sustancias están igual. . .
