¿Qué es Energía?

¿Qué es Energía?

La fuente energética original para centrales hidroeléctricas es la energía solar irradiada, que mediante la evaporación de aguas superficiales, mantienen en funcionamiento el círculo del agua. La energía cinética y potencial del agua puede ser transformada en energía eléctrica en una central hidroeléctrica.

A diario nos confrontamos con energía. La energía es “generada”, transformada, transportada, almacenada y “gastada”. Sin energía en lo cotidiano no sucede nada. ¿Pero realmente sabemos que es realmente la energía?

Los humanos usan la energía de manera diversa, para hogares temperados e iluminados o la producción y transporte de bienes. Cada actividad está unida a la transformación de energía. Las diferentes formas de energía las conocemos del diario vivir; el calor del fuego; la luz del Sol; el movimiento del viento. Sin embargo no  podemos ver, escuchar, saborear, oler, o sentir a la energía. Si vemos un relámpago, sudamos en una sauna, entonces experimentamos  la energía. Lo que hay detrás de estas manifestaciones, lo llamamos energía. ¿Pero que es realmente la energía?  

Para la física “energía” es un concepto principal. Desde el punto de vista de la física, energía es la capacidad para realizar un trabajo. Sí un automóvil es puesto en marcha, entonces se realiza trabajo mecánico. El trabajo lo efectúa el motor de combustión interna. Dentro del cilindro se quema una mezcla de aire con benzina. Los gases, que aqupí se originan, tienen un volumen  más grande. La presión aumenta y puede ser transformada en energía de movimiento. Energía química es convertida en energía de movimiento. 

Energía como fenómeno

Se diferencian las formas como se manifiesta la energía en energía mecánica (cinética y potencial), térmica, eléctrica, y energía química, energía de radiación y nuclear. En la aplicación práctica se aprovecha la capacidad de trabajo de sistemas energéticos, en forma de fuerza, calor y luz. Energía química, nuclear y de radiación, para su aplicación, primero deben ser convertidas en energía mecánica, térmica o eléctrica. Así por ejemplo, los rayos solares, se hacen utilizables térmica o eléctricamente en un sistema solar.

Energía	Otras denominaciones	Ejemplos / manifestaciones	Aplicación técnica
Energía mecánica	Energía de movimiento = cinética Energía potencial	Agua fluyente, vehículo en movimiento, volante Represa, arco tensado	Fuerza hidráulica Planta de almacenamiento de energía
Energía calórica	Energía térmica	Calefactores, bolsa de agua caliente	Termo, calefacción
Energía eléctrica		Corriente eléctrica, relámpago	Generador, motor eléctrico
Energía química		Combustibles, explosivos	Centrales termo eléctricas, calefactor a leña
Energía nuclear		Fisión nuclear	Central atómica
Energía de radiación,	Electromagneto, energía	Luz solar, ondas radiales	Sistema fotovoltaico

La luz solar es radiación electromagnética, que se forma por fusión nuclear en el interior del Sol y es irradiada hacia el espacio. En un año llega a Europa central una cantidad de energía de aprox. 1.000kWh por cada metro cuadrado de superficie. La energía de radiación del Sol, puede ser usada para la obtención de calor o corriente eléctrica. Con el uso de la energía térmica solar, la radiación solar es transformada, mediante sistemas de absorción, en calor para agua caliente o calefacción de viviendas. Para obtener corriente eléctrica de la luz solar, se necesitan celdas solares. Estos son semiconductores, generalmente de Silicio. Cuando los fotones (luz) penetran en las celdas, se liberan electrones – la corriente eléctrica fluye.

Con celdas solares de material semiconductor, se transforma la luz solar (fotones) en corriente eléctrica. Módulos solares son producidos en la zona del río Rin.
© Solar World, Bonn 

Energía renovable

Muchos portadores de energía en la Tierra no son otra cosa que energía solar almacenada. El carbón se formó de plantas y bosques muertos sepultados en el transcurso de varios cientos de millones de años. El petróleo y el gas natural se formaron por la descomposición de microorganismos en los antiguos mares. Estos portadores fósiles de energía, sin embargo, pertenecen a las energías no renovables. Después de su combustión en centrales de fuerza o térmicas, ya no están disponibles – no se regeneran, están desvalorizadas.

En contra de estas, se encuentran las tal llamadas energías renovables, disponibles en cantidades casi inagotables, debido a, que con la luz solar, entra en forma permanente nueva energía al “sistema” Tierra. El Sol aún le queda unos 5 mil millones de años de vida. La radiación solar puede ser transformada en corriente eléctrica (fotovoltaica) o calor (térmica solar).La energía eólica, hidráulica y biomasa (madera, plantas energéticas), también son energía solar en forma modificada. También estas están disponibles indefinidamente. Energías de origen no solar, son el calor del interior de la Tierra (geotermia) y la energía de las mareas.

El viento es energía solar. El sol calienta la superficie terrestre y las masas de aire que se encuentran sobre ella. Sobre regiones fuertemente calentadas el aire sube y se producen zonas de baja presión, mientras zonas de alta presión se forman en regiones más frías El aire fluye de  zonas de alta presión a zonas de baja presión – se forma viento.
©   Nordex AG 

                          

                                              

Biomasa - pura energía                                                                      
© Energieagentur NRW

    

                                                 

                                                                                     

Almacenar y transportar energía

Los portadores de energía son los medios, en los cuales se puede almacenar energía. En la técnica el almacenamiento de energía tiene el fin, tener energía a disposición cuando se la requiere y  en caso dado transportarla. Laña energía eléctrica se puede guardar en baterías (energía química). Esta energía se puede usar, por ejemplo,  posteriormente en un celular o una radio portátil.

La energía eléctrica también se puede guardar cómo energía potencial. Centrales eléctricas de acumulación por bombeo, disponen para esto de dos represas una superior y otra más abajo. Con poco requerimiento de corriente eléctrica, el agua, mediante energía eléctrica es bombeada desde la presa inferior hacia la represa superior. Sí se requiere de más energía eléctrica, el agua de la presa superior, puede ser usada para activar los generadores. 

 Centrales eléctricas de acumulación por bombeo: La energía potencial se utiliza para el almacenamiento temporal de exceso de energía.© BINE Informationsdienst (Sevicio informativo)

Acumuladores de calor se conocen dsde la vida cotidiana. En la regla el medio de almacenamiento es el agua. El calor, por ejemplo proveniente de un calefactor solar, es acumulado para que también haya agua caliente para la ducha cuando el Sol ya no brilla.

El agua es el medio preferido para almacenar calor. No es venenoso, químicamente estable y tiene comparativamente una  gran capacidad calorífica.  Acumuladores de agua caliente, necesitan una buena aislación.
© Viessmann Werke GmbH & Co.Kg

Para el almacenamiento térmico califican líquidos (a menudo agua) o sustancias sólidas (rocas). Una aislación térmica evita el rápido enfriamiento del medio acumulador. Una alternativa para el almacenamiento de calor “sensible”, donde la acumulación de calor se hace notoria con un aumento de la temperatura del medio acumulador, son los acumuladores de calor latente. Aquí se aprovecha el paso de fase de una sustancia, por ejemplo de sólido a líquido, para acumular calor. La materia acumuladora (por eje. Parafina) comienza a fundirse, al alcanzar la temperatura de la fase de transición y a  pesar de su posterior almacenamiento de calor, no aumenta lka temperatura, hasta que todo el material se haya fundido. La ventaja de los acumuladores latentes. Puede acumular prácticamente la doble cantidad de energía en el con el mismo volumen del medio acumulador, que en un acumulador de calor sensible. Por este se habla de la mayor densidad de energía de los  acumuladores latentes.
 

Es fácil visualizar la capacidad de almacenamiento de calor del agua: Para derretir hielo de 0 °C a agua de 0 °C, se necesita prácticamente la misma cantidad de energía para calentar el agua de 0 °C a 80 °C. Más energía aun se necesita para transformar el agua en vapor. Aquí se necesita 4,5 veces la cantidad de energía, revesaría para calentar el agua de 0 °C a 100 °C.

Schmelzwärme = Calor de fusión
Temperatur erhöhung = Aumento de la temperatura
Verdampfungswärme = Calor de evaporación

Glosario

Energía calórica	Movimiento desordenado de los átomos
Energía potencial	Energía en reposo
Energía cinética	Energía de movimiento; movimiento ordenado de los átomos
Energía	La parte de la energía de una forma energética, que puede ser transformada en una energía de forma ordenada (por ejemplo, corriente eléctrica)
Entropía	Estadísticamente: Una medida del desorden
Energía gris	La energía ligada a la materia, abarca los campos de la producción, transporte, rendimiento y/o eliminación de residuos
Eficiencia energética	Cociente del rendimiento entregado y la potencia aplicada aplicado; expresado en porcentaje o decimales
Rendimiento	Cociente del trabajo W y la correspondiente unidad de tiempo; Watt
Unidades de energía	1 Joule = 1 Watt x seg. =  1 Newton x metro
Perpetuum  mobile	La idea de una máquina que realiza un trabajo, sin usar energía. Contradice a la primera ley de la termodinámica

Conversión de la energía

Como energía final se designa a aquella energía que se usa directamente como usuario, o sea, en forma de portador de energía, querosene, bencina, corriente eléctrica. La energía final se obtiene de la trasformación de energía primaria. Del petróleo, se elabora querosene, bencina; del carbón o gas natural se genera corriente eléctrica, La energía primaria debe ser preparada, para poder ser transportada, por ejemplo, como corriente eléctrica al consumidor.  Durante la conversión se pierde parte de la energía sin ser usada. Por ejemplo, para obtener 1 KWH de corriente eléctrica se requieren una 3 IKWH de energía primaria (Carbón o petróleo)

	Energía primaria	Energía final	Energía útil
Portador de energía	Carbón, petróleo	Corriente eléctrica	Luz
Convertida en	-	Central eléctrica	Ampolleta* común	De bajo consumo
Efectividad	-	36 %	5 %	25 %
Cantidad de energía	100	36	2	10

Sólo el 2-3 % de la energía primaria que originalmente se empleó, se transforma en luz en una ampolleta. La ampolleta de bajo consumo de la misma capacidad tiene  un rendimiento 5 veces mayor. Centrales de ciclos combinados, tienen un rendimiento de más del 50%
© BINE Informationsdienst (servicio de informaciones).

La corriente de energía final es cara y de alta calidad, pero también contaminante co0n la preparación de los portadores energéticos fósiles. De la corriente de la energía final la energía útil es la luz, cuando se actúa el interruptor. Lámparas convencionales sólo transforman el 5 % de la corriente en luz. Es decir, al final sólo el 2-4 % de la energía primaria original es provechada, el resto se disipa en forma de calor. Todas la máquinas trabajan con una pérdida de energía, esto significa que consume más energía que la energía útil que entrega. Una parte de las pérdidas en la conversión de energía puede ser inevitable (“Exergía”, ver abajo). Una gran parte de la pérdida se debe a efectos cómo roce y generación de calor indeseado por la resistencia eléctrica.

  

 

La energía final es la energía directamente utilizable cómo la bencina  o la electricidad. La energía final es preparada por la energía primaria – del petróleo se obtiene la bencina, con el carbón se genera electricidad.
© H. G. Oed

La meta de la investigación de la energía es, obtener mediante una técnica más eficiente, obtener el mismo rendimiento energético con un menor gasto de energía, El grado de efectividad caracteriza la eficiencia de la transformación. Describe la relación de energía utilizable a la energía aplicada. El grado de efectividad siempre es menor que 1. Un motor eléctrico no sólo transforma la corriente eléctrica en energía de movimiento utilizable, sino también una parte menor en energía calórica – el motor se calienta. El rendimiento en el caso de motores eléctricos grandes yace entre 0,7 y 0,95.

La energía se desvaloriza 

La conversión de la energía hace que la vida sea posible en la Tierra. La radiación solar activa la fotosíntesis, a la cual le debemos el crecimiento de las plantas (biomasa) y finalmente el petróleo, el gas natural y el carbón. La energía química, almacenada en la madera o el gas natural, por combustión es transferido en calor (energía térmica) y usada para la calefacción de las casa. La energía al calentar una casa no es “consumida”, sino de la energía ligada químicamente del gas natural se obtiene calor.

Dach = Techo; Heizung = Calefacción; Fenster = Ventana; Lüftung = Ventilación; Wand = Pared; Boden = Suelo
Pérdida de calor de una casa independiente (de 1984)

© BINE Informationsdienst (servicio de informaciones).

 Una “pérdida” de energía se produce debido a, que técnicamente no muerde ser transformada completamente en energía para la calefacción, pero también debido a que el calor no puede ser almacenado permanentemente en una casa. Dependiendo de la amortiguación térmica de la casa, el calor se escapa más o menos rápido hacia el entorno más frío. El calor por lo tanto,  para el uso humano se perdió. La energía se desvalorizó – o sea se “consumió”. Edificios modernos tiene un buen asilamiento térmico, para minimizar la pérdida de calor. Casas de bajo consumo energético, consumen por año y metro cuadrado de construcción menos de 7 litros de petróleo para calefacción. Casas pasivas, sólo 1,5 litros. En comparación: Una casa sin aislamiento térmico quema más de 20 litros de petróleo por metro cuadrado al año.

También de una construcción más antigua, con grandes pérdidas de calor se puede transformar  en un hogar de ahorro de calor. La figura de arriba muestra la típica perdidas de energía de una vivienda independiente. Mediante un mejor aislamiento (amortiguación calórica de las paredes exteriores y del techo y ventanas térmicamente aislantes) y una calefacción más eficiente (por ejemplo; caldera a gas) se puede ahorrar mucha energía. Ahorrar energía no significa renunciar al confort. Todo lo contrario: Las superficies interiores de las paredes exteriores, también en el invierno tienen una agradable temperatura, por esto el confort y la comodidad de los habitantes aumenta. La siguiente figura muestra las medidas esenciales para bajar el “consumo de energía”.

Pérdidas de calor a través del envoltorio del edificio se pueden disminuir mediante al optimización del aislamiento térmico. Tomografía de unas ventanas: Mientras más clara es la superficie, tanto mayor es la pérdida de calor.
© Energieagentur NRW

Energía y orden

Viajes en el tiempo son una cosa fantástica, muchas novelas de ciencia ficción se dedican a esto. La física durante mucho tiempo no pudo hacer objeciones al respecto. Debido a la mecánica que ha desarrollado Newton, el tiempo no tiene una dirección. Por lo tanto, todos los procesos son reversibles. Viajes en el tiempo – en principio sin problema. 

La segunda ley de la termodinámica, enunciada por Rudolf Clausius, trajo finalmente una dirección en los sucesos de la naturaleza. En 1865 Clausius se percató, que el calor tiene la tendencia, de pasar de cuerpos calientes a cuerpos más fríos, pero no a la inversa. El paso del calor del caliente a frío es un proceso direccionado. Hasta ahora nadie ha observado a un cuerpo de menor temperatura, que sigue enfriándose y que mediante de ello provoca que un cuerpo de mayor temperatura, aumente su temperatura. Además Clausius se dio cuenta, que el trabajo se puede cambiar totalmente en calor, pero el calor no se puede transformar totalmente en trabajo. La dirección de la conversión de energía térmica en energía mecánica y a la inversa, no es igualitario.

La entropía desde la perspectiva, es una medida para el desorden. Dos recibientes con dos gases diferentes están unidos por un tubo. Si se abre la válvula, los gases se mezclan. La separación completa no es posible (no .ha sido posible ser observada). A este proceso se le llama irreversible.
© BINE Informationsdienst (servicio de informaciones).

 

El concepto central   de esta tendencia es la entropía, en un sistema cerrado sólo puede aumentar. Visualmente la entropía, se puede imaginar, como una medida para el desorden. El principio de la entropía afecta a la conversión de energía. Energía en estado ordenado (Energía de movimiento mecánico), puede transformarse totalmente en  forma menos ordenada (Calor). Inversamente la conversión de la energía solo funciona parcialmente. El calor sólo se puede trasformar parcialmente en energía eléctrica (forma ordenada). Por esto.la energía, que se encuentro en el carbón, no se puede convertirla totalmente en corriente eléctrica. La segunda ley de la termodinámica entonces describe el conocimiento, que las direcciones de las conversiones de la energía no son equivalentes.la parte de la energía, que puede ser transformada en una forma ordenada, se llama exergía.

La entropía en un sistema físico cerrado tiende a un máximo. El estado final con la desintegración de toda estructura es equivalente a una distribución igualitaria de todas las temperaturas. Transferido al universo – si se considera al universo como un sistema cerrado -  se habla de una “muerte térmica” del universo. Debido a que se emplazaría la temperatura más baja, se debería hablar de una muerte por frío.

© NASA

 La energía en la historia

El concepto de energía. En su moderna significancia científica actual, fue introducido recién en el siglo 19. El inglés Thomas Young propuso en 1802, designar como “energy” la capacidad de trabajo de las máquinas. La definición como “capacidad para realizar un trabajo” la propuso por primera vez el francés Jean V. Poncelet, en 1829. El concepto energía, aquí sin embargo sólo es usado en el sentido mecánico.

Originalmente el concepto energía se refiere a la palabra griega “energeia”, vocablo, que aparece por primera vez donde el filósofo Aristóteles (384-3221 a. C.), energeia donde Aristóteles es el espíritu divino o la efectividad, que le ayuda lo posible convertirse en realidad. Para Aristóteles el traspaso del estado de lo posible al de la realidad y efectividad. Las ideas de la termodinámica, que fueron desarrollados en el siglo 19, han acuñado el concepto moderno de la energía. Se superó la idea de una “sustancia calor”, y fue reemplazada por la idea, que el calor es una forma de energía, que se puede convertir en otras formas de energía. En especial el estudio de la máquina a vapor, dio a luz nuevas ideas acerca de las propiedades de la energía (térmica).

En 1847 Hermann Helmholtz formuló finalmente la ley de la conservación de la energía. Energía no puede ser destruida ni creada, sino a lo sumo cambiar su forma. Había nacido la primera ley de la termodinámica. Por esta razón tampoco puede existir un Perpetuum Mobile, o sea una máquina que sin recibir energía puede realizar trabajo por siempre. Un significado especial recibió la energía por la teoría de la relatividad de Albert Einstein (1879-1955).  La fórmula de Einstein E = m cˆ2 relacionó de forma intima la energía con la materia. ¿El origen del universo se puede entender como una condensación de la energía en toda la materia?

También el concepto de la entropía que le muestra a los procesos energéticos una dirección ha producido una serie de especulaciones. A la entropía se la puede considerar como una medida, en cuanto un sistema se mueve hacia un estado de desorden máximo. Ya que la entropía (desporden), en un sistema cerrado (universo), aumenta constantemente, se habla de una “muerte térmica del universo”. Realmente se debería hablar de una muerte por frío, si se parte de un cosmos en eterna expansión… La energía concentrada en las estrellas y los planetas, de acuerdo a esto,  se desvanece en una “sopa térmica” de distribución máxima.

Fuente: http://www.bine.info/themen/publikation/was-ist-energie

Traducido del alemán por A. Gundelach. Mayo 2014