Energía

Concepto de energía. Transformaciones energéticas. Calor y temperatura. Fuentes de energía

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Índice

Concepto de energía

La energía es la capacidad de producir transformaciones o cambios.

Conservación de la energía

La energía se puede transferir, almacenar o disipar, pero no crear ni destruir.

Unidades

En el SI la energía se mide en julios ($1\thinspace\mathrm J = 1\thinspace\mathrm{N\thinspace m} = 1\thinspace\mathrm{kg\thinspace m^2\thinspace s^{-2}}$). Otras unidades de energía son la caloría ($1\thinspace\mathrm{cal} = 4.18\thinspace\mathrm J$) o el kilovatio hora, $\mathrm{kW\thinspace h}$:

$$ 1\thinspace\mathrm{\cancel{kW}\cancel{h}}\cdot \frac{1000\thinspace\mathrm W}{1\thinspace\mathrm{\cancel{kW}}}\cdot \frac{3600\thinspace\mathrm s}{1\thinspace\mathrm{\cancel h}} = 3.6\times 10^6\thinspace\mathrm{W\thinspace s} = 3.6\times 10^6\thinspace\mathrm J $$

Transformaciones energéticas

Tipos de energía

Energía mecánica

Es la que poseen los cuerpos debido a su movimiento y/o a su posición.

Energía térmica

Es la energía que posee un cuerpo por el hecho de estar a una cierta temperatura.

Energía química

Es la energía que posee un cuerpo debido a su estructura interna. Se pone de manifiesto en reacciones químicas, como la combustión por ejemplo.

Energía nuclear

Es la energía almacenada en los núcleos de los átomos. Se pone de manifiesto en reacciones nucleares, como la fisión o la fusión nuclear.

Energía radiante

Es la energía que poseen las ondas electromagnéticas, como la luz por ejemplo.

Energía eléctrica

Es la energía que poseen las cargas eléctricas en movimiento.

La siguiente tabla muestra algunos aparatos/dispositivos involucrados en distintas transformaciones energéticas:

energía inicialenergía finalaparato/dispositivo
MecánicaTérmicaPastilla de freno
QuímicaMecánicaMotor de combustión
QuímicaTérmicaCocina de gas
QuímicaEléctricaPila/central térmica
RadianteEléctricaPanel solar
EléctricaMecánicaMotor eléctrico
EléctricaTérmicaEstufa eléctrica
EléctricaRadianteBombilla

Aprende más sobre las formas y cambios de energía con esta simulación:

Calor y temperatura

Temperatura 🌡️

De acuerdo al modelo cinético-molecular, la materia está formada por partículas que están en continuo movimiento. La temperatura es una medida de la agitación (velocidad) media de las partículas que forman un sistema. La temperatura absoluta es el valor de la temperatura medida con respecto a una escala que comienza en el cero absoluto, un hipotético estado en el que todas las partículas que forman el sistema estarían completamente quietas. En el SI, la temperatura absoluta se mide en kelvin (K):

$$ T(\mathrm K) = T(^\circ\mathrm C)+273.15 $$

Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kinetic_theory_of_gases.svg.

Puedes profundizar en el concepto de temperatura con ayuda de esta simulación:

Mecanismos de transferencia de energía

La energía térmica que se transfiere de un cuerpo a otro se denomina calor. Por razones históricas el calor se mide a menudo en calorías ($1\thinspace\mathrm{cal} = 4.18\thinspace\mathrm{J}$). El calor se puede transferir mediante:

Conducción

Basado en el contacto directo entre los cuerpos.

Convección

Debido al transporte de masa por medio de un fluido.

Radiación

Por medio de ondas electromagnéticas (como la luz), que pueden viajar incluso por el vacío.

Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:M%C3%A9todos_de_transferencia_de_calor.svg.

Efectos del calor en los cuerpos

Variación de temperatura y/o cambios de estado

Cuando dos cuerpos se ponen en contacto térmico, el que está a mayor temperatura cede calor (enfriándose) al que está a menor temperatura (calentándose), llegando al cabo de un tiempo a un equilibrio térmico (misma temperatura). La variación de temperatura que sufre un cuerpo cuando se le proporciona una cantidad de calor depende de la sustancia de que se trate y de su masa.

Al variar la temperatura de un cuerpo, éste puede cambiar su estado de agregación. Es importante recordar que, durante un cambio de estado, la temperatura del cuerpo permanece constante, ya que durante el cambio la energía transferida al cuerpo se emplea en reorganizar las partículas (romper enlaces).

Dilatación

Como regla general, un cuerpo aumenta su volumen (se dilata) al aumentar su temperatura1. La dilatación de los líquidos, como el mercurio (Hg), se utiliza en los termómetros 🌡️. La escala Celsius, también llamada centígrada, es la escala basada en 0 para el punto de congelación y 100 para el punto de ebullición del agua.

Junta de dilatación de un puente. Si estas juntas no se construyesen, la dilatación térmica de los materiales cuando aumentase la temperatura generaría unos esfuerzos tan grandes que fracturarían el puente. Para calcular estas juntas se necesita conocer el coeficiente de dilatación térmica. Imagen de Kranich17 en Pixabay.

Fuentes de energía

Una fuente de energía es cualquier fenómeno físico o químico del que es posible explotar su energía.

No renovables 🏭

Aquellas que se encuentran en la naturaleza en cantidades limitadas, no pudiendo sustituirse tras agotarse.

Combustibles fósiles 🔥

Proceden de la biomasa producida en eras pasadas, que ha sufrido enterramiento y tras él, procesos de transformación, por aumento de presión y temperatura, hasta la formación de sustancias de gran contenido energético, como el petróleo ⛽, el carbón, el gas natural y el gas licuado del petróleo (GLP).

Combustibles nucleares ☢️

Materiales que han sido adaptados para poder ser utilizados en la generación de energía nuclear, principalmente mediante fisión nuclear, como por ejemplo el $\ce{^{233} U}$, el $\ce{^{235} U}$ y el $\ce{^{239} Pu}$.

Un simple diagrama de fisión nuclear. Un átomo de $\ce{^{235} U}$ captura y absorbe un neutrón, convirtiéndose en un átomo de $\ce{^{236} U}$ altamente radiactivo, que se fisiona dando lugar a dos fragmentos de fisión ($\ce{^{141} Ba}$ y $\ce{^{92} Kr}$) y tres neutrones, todos ellos con cantidades muy grandes de energía cinética. Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nuclear_fission.svg.

Renovables 🍃

Logotipo para las energías renovables de la diseñadora gráfica y directora de arte alemana Melanie Maecker-Tursun de Hamburgo. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Logo_Renewable_Energy_by_Melanie_Maecker-Tursun_V1_4c.svg.

Se obtienen de fuentes naturales virtualmente inagotables.

Energía solar ☀️

Obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol. Distinguimos entre energía solar:

Térmica

Calentar agua mediante depósitos.

Fotovoltaica

Generar electricidad mediante paneles solares .

Granja solar. Foto de American Public Power Association en Unsplash.

Energía eólica 💨

Obtenida del viento, aprovechando la energía mecánica del aire mediante enormes aerogeneradores .

Parque eólico. Foto de RawFilm en Unsplash.

Energía hidráulica 💧

Obtenida aprovechando la energía mecánica de corrientes o saltos de agua.

Central hidroeléctrica. Foto de American Public Power Association en Unsplash.

Biomasa 🌱

Material vegetal o animal utilizado para la producción de energía (electricidad o calor), o en diversos procesos industriales como materia prima para una variedad de productos.

Pellets de madera. Imagen de Ernesto Rodriguez en Pixabay.

Energía geotérmica 🌋

Es la energía térmica generada y almacenada en la Tierra. El calor del interior de la Tierra se transmite a través de los cuerpos de roca caliente por conducción y convección.

Aguas termales. Imagen de Hameg en Pixabay.

Energías mareomotriz y undimotriz 🌊

Obtenidas a partir de la energía mecánica del mar, ya sea aprovechando las mareas (mareomotriz) o las olas (undimotriz).

Molino de mareas de Santa Olaja, en Arnuero, Cantabria (España). https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Molino_de_marea_de_santa_Olaja.jpg.
Energía undimotriz. Roger Mosley.

Energía nuclear de fusión

La fusión nuclear es un proceso en el que dos o más núcleos atómicos se combinan para formar uno o más núcleos atómicos y partículas subatómicas (protones o neutrones) diferentes. La diferencia de masa entre los reactivos y los productos se manifiesta como la liberación o la absorción de energía.

Proceso de fusión entre un núcleo de deuterio ($\ce{^2H}$) y uno de tritio ($\ce{^3H}$), dando lugar a un núcleo de helio ($\ce{^4He}$), un neutrón y unos 17.6$\thinspace$MeV de energía. Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Deuterium-tritium_fusion.svg.

Puedes conocer más sobre algunas de las principales fuentes de energía en el siguiente vídeo, extraído de la película pedagógica Energía 3D:


  1. Una excepción notable es la dilatación anómala del agua, ya que entre 0$\thinspace$°C y 4$\thinspace$°C el agua se contrae debido a que, sorprendentemente, el hielo es menos denso que el agua líquida, razón por la que flota sobre ella. ↩︎

Rodrigo Alcaraz de la Osa
Rodrigo Alcaraz de la Osa
Doctor en Física y Profesor de Física y Química

Soy Profesor de Física y Química en el IES Ría San Martín de Cantabria (España).

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