Introducción

La energía se puede definir como la capacidad de suministrar calor o realizar un trabajo. Un tipo de trabajo es el proceso de hacer que la materia se mueva contra una fuerza opuesta. La energía se puede convertir de una forma a otra, pero toda la energía presente antes de que ocurra un cambio siempre existe de alguna forma después de que se completa el cambio. Esta observación se expresa en la ley de conservación de la energía: durante un cambio químico o físico, la energía no puede crearse ni destruirse, aunque puede cambiar de forma.

Desarrollo del tema

1. Energía y cambios en la materia

La materia presenta formas distintas, las cuales poseen características que nos permiten distinguir unos objetos de otros. El color, el olor y la textura son propiedades de la materia que nos ayudan a diferenciarlos.

Los estados de la materia

Una misma materia se puede encontrar en los tres estados. Por ejemplo, el agua, que normalmente es líquida, cuando se enfría se convierte en sólido y, si se le aplica calor, se transforma en gas.

• Estado sólido: un sólido es una sustancia formada por moléculas, que se encuentran muy unidas entre sí por una fuerza llamada Fuerza de Cohesión. Los sólidos son duros y difíciles de comprimir, porque las moléculas, que están muy unidas, no dejan espacio entre ellas.
• Estado líquido: un líquido es una sustancia formada por moléculas que están en constante desplazamiento, y que se mueven unas sobre otras. Los líquidos son fluidos porque no tienen forma propia, sino que toman la del recipiente que los contiene.
• Estado gaseoso: un gas es una sustancia formada por moléculas que se encuentran separadas entre sí. Los gases no tienen forma propia, ya que las moléculas que los forman se desplazan en varias direcciones y a gran velocidad. Por esta razón, ocupan grandes espacios.

Cambios de la materia

El cambio físico es el cambio transitorio de las sustancias que no afecta a la naturaleza de la materia, aunque cambia su forma. Un cambio físico se produce por la acción de un agente externo a la naturaleza de la materia. En el caso del agua, el agente es el calor.

Cambios del estado del agua:

• El paso del estado sólido a líquido recibe el nombre de fusión, lo que sucede por aumento de calor.
• El paso de estado líquido a gaseoso se llama evaporación, lo que sucede por aumento de calor.
• El paso del estado gaseoso a líquido se llama condensación, lo que sucede por pérdida de calor.
• El paso de líquido a sólido recibe el nombre de solidificación, lo que sucede por pérdida de calor.

Condensación

La condensación, en física, es el proceso en el que la materia pasa a una forma más densa, como ocurre en la licuefacción del vapor. La condensación es el resultado de la reducción de temperatura causada por la eliminación del calor latente de evaporación; a veces se denomina condensado al líquido resultante del proceso.

Evaporación

La evaporación es la conversión gradual de un líquido en gas sin que haya ebullición. Las moléculas de cualquier líquido se encuentran en constante movimiento. La velocidad media (o promedio) de las moléculas sólo depende de la temperatura, pero puede haber moléculas individuales que se muevan a una velocidad mucho mayor o mucho menor que la media. A temperaturas por debajo del punto de ebullición, es posible que moléculas individuales que se aproximen a la superficie con una velocidad superior a la media tengan suficiente energía para escapar de la superficie y pasar al espacio situado por encima como moléculas de gas. Como sólo se escapan las moléculas más rápidas, la velocidad media de las demás moléculas disminuye; dado que la temperatura, a su vez, sólo depende de la velocidad media de las moléculas, la temperatura del líquido que queda también disminuye.

2. Energía

La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. La radiación electromagnética posee energía que depende de su frecuencia y, por tanto, de su longitud de onda. Esta energía se comunica a la materia cuando absorbe radiación y se recibe de la materia cuando emite radiación. La energía asociada al movimiento se conoce como energía cinética, mientras que la relacionada con la posición es la energía potencial.

Formas de energía

A diario estamos en contacto con las diferentes formas en que se manifiesta la energía. Al encender el gas de la cocina, por ejemplo, se produce el calor necesario para hervir el agua de la tetera. Lo mismo ocurre con la corriente eléctrica, cuando pasa por un circuito, pone en funcionamiento el televisor. Diariamente observamos en nuestro hogar estas y otras formas de energía.

• Energía solar: es la que se genera por las radiaciones infrarrojas, que se transforman en calor al entrar en contacto con los cuerpos. El hombre ha ideado diferentes formas para utilizar la energía solar. Algunas de ellas son los colectores solares y espejos curvos especiales, que se utilizan en calefacción y para generar energía eléctrica. La energía solar tiene la ventaja de no contaminar.
• Energía mecánica: es aquella que el hombre utilizó, en un comienzo, como producto de su propio esfuerzo corporal. Luego, utilizó la fuerza animal, para lo que domesticó animales como bueyes, caballos y burros. La energía mecánica engloba dos tipos de energía, la energía potencial (cuando el cuerpo está en reposo) y la energía cinética (cuando el cuerpo está en movimiento).
• Energía calórica: es la que se transmite entre dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura.
• Energía eléctrica: es la que se produce por el movimiento de electrones a través de un conductor.
• Energía nuclear: es la que se produce cuando se rompe el núcleo del átomo, debido a la liberación de la fuerza que mantiene unidas las partículas del núcleo atómico. El atómo se compone de núcleo y corteza. Éstos se unen para formar las moléculas. Cuando lo que se rompe es el núcleo del átomo, como en el caso del Uranio, se libera mucha energía, llamada energía nuclear.
• Energía eólica: es la que se origina por la fuerza del viento.
• Energía hidráulica: es la que se origina por la caída del agua y se utiliza para generar energía mecánica y energía eléctrica.
• Energía química: es aquella producto de una combustión, reacción en la cual se combina el oxígeno del aire con la materia del cuerpo que arde. Durante la combustión se producen luz y calor.

La electricidad otra forma energética

La electricidad es una forma de energía que se puede transmitir de un punto a otro. Todos los cuerpos presentan esta característica, propia de las partículas que lo forman, pero algunos la transmiten mejor que otros. Los cuerpos, según su capacidad de transmitir la electricidad, se clasifican en conductores y aisladores.

Conductores son aquellos que dejan pasar la electricidad a través de ellos. Por ejemplo, los metales. Aisladores son los que no permiten el paso de la corriente eléctrica.

Generación de electricidad

Es posible generar electricidad con una serie de tecnologías que, en último término, dependen de los efectos de la radiación solar. Otras fuentes de electricidad solar incluyen tecnologías más complejas que no han sido implementadas comercialmente a gran escala. Las células fotovoltaicas, que convierten la luz solar directamente en electricidad, se emplean hoy en satélites artificiales, pasos a nivel sin guarda o bombas de irrigación; sin embargo, serán necesarios algunos avances para reducir los costes antes de que sea posible un uso más amplio.

La explotación comercial de otros métodos parece pertenecer a un futuro más lejano. La conversión térmica oceánica genera electricidad en plataformas situadas en el mar; el agua fría de las profundidades que asciende a la superficie caliente mueve una turbina. Otra idea que también tiene un carácter bastante especulativo es la de emplear satélites artificiales para enviar electricidad a la Tierra en forma de microondas.

Centrales eléctricas

Son instalaciones que transforman en energía eléctrica, la energía mecánica que produce una caída de agua (centrales hidroeléctricas), o energía calórica o térmica, que se produce por la combustión de carbón o gas natural (centrales termoeléctricas).

En estas centrales, existen máquinas llamadas generadores, que son los que producen electricidad. Para generar electricidad necesitan mover grandes piezas que tienen en su interior. Y para ello, las centrales eléctricas se ubican junto a una represa, de manera que el agua retenida en un embalse haga que las piezas del generador se muevan y produzcan electricidad.

La energía mecánica que posee el agua en movimiento se transforma en energía eléctrica. En todo el proceso descrito, te habrás dado cuenta de que ninguna de las máquinas que intervienen (cocina, generador) son por sí mismas capaces de crear energía. Para producir la energía calórica, la cocina necesita la energía eléctrica y para producir la energía eléctrica, el generador necesita la energía del agua del embalse.

De este modo, podemos observar que la energía que desaparece, da lugar a una nueva energía: la energía que pierde el agua del embalse, se transforma en energía eléctrica y la energía eléctrica que se gasta, produce energía calórica. Esto se enuncia en la Ley de Conservación de la Energía, que dice: «La energía no se crea ni se destruye, únicamente se transforma».

3. La energía y sus combustibles

Un combustible es una sustancia que reacciona químicamente con otra sustancia para producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. El término combustible se limita por lo general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor. Los combustibles se utilizan para calentar, para producir vapor con el fin de obtener calor y energía, para proporcionar energía a los motores de combustión interna, y como fuente directa de energía en aviones y cohetes a propulsión.

Tipos de combustibles

Carbón

El carbón es un combustible sólido de origen vegetal. En eras geológicas remotas, y sobre todo en el periodo carbonífero (que comenzó hace 345 millones de años y duró unos 65 millones), grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetación abundantísima que crecía en pantanos. Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo:

• La turba, la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad.
• El lignito, el carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor.
• El carbón bituminoso tiene un contenido aún mayor, por lo que su poder calorífico también es superior.
• La antracita es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico.
• La presión y el calor adicionales pueden transformar el carbón en grafito, que es prácticamente carbono puro.

Además de carbono, el carbón contiene hidrocarburos volátiles, azufre y nitrógeno, así como diferentes minerales que quedan como cenizas al quemarlo.

Petróleo

Líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. Las sociedades industriales modernas lo utilizan sobre todo para lograr un grado de movilidad por tierra, mar y aire impensable hace sólo 100 años. Además, el petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plástico, materiales de construcción, pinturas o textiles y para generar electricidad.

Características del petróleo

Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno; el contenido de azufre varía entre un 0,1% y un 5%. El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La consistencia del petróleo varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un líquido tan espeso que apenas fluye.

Existen tres grandes categorías de petróleos crudos (denominados a veces simplemente ‘crudos’): los de tipo parafínico, los de tipo asfáltico y los de base mixta. Los petróleos parafínicos están compuestos por moléculas en las que el número de átomos de hidrógeno es siempre superior en dos unidades al doble del número de átomos de carbono. Las moléculas características de los petróleos asfálticos son los naftenos, que contienen exactamente el doble de átomos de hidrógeno que de carbono. Los petróleos de base mixta contienen hidrocarburos de ambos tipos.

Gas natural

Mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el metano. Se utiliza como combustible para usos domésticos e industriales y como materia prima en la fabricación de plásticos, fármacos y tintes. La proporción en la que el metano se encuentra en el gas natural es del 75 al 95% del volumen total de la mezcla (por este motivo se suele llamar metano al gas natural). El resto de los componentes son etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón. Antes de emplear el gas natural como combustible se extraen los componentes más pesados, como el propano y el butano.

Éste contiene elementos orgánicos importantes como materias primas para la industria petrolera y química. Antes de emplear el gas natural como combustible se extraen los hidrocarburos más pesados, como el butano y el propano.

Energía solar

Energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión. Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar. La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.

Energía cinética

Energía que un objeto posee debido a su movimiento. La energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto. Las relaciones entre la energía cinética y la energía potencial, y entre los conceptos de fuerza, distancia, aceleración y energía, pueden ilustrarse elevando un objeto y dejándolo caer.