Implicaciones de la obtención y aprovechamiento de la energía en las actividades humanas

La utilización de la energía ha mejorado la "habitabilidad" en las ciudades al aumentar el nivel de confort por medio de la calefacción y de la iluminación, al posibilitar ciertas transformaciones físico-químicas como el cocinar, la obtención de metales y el cocido de materiales cerámicos y vítreos, o al incrementar el rendimiento de nuestro esfuerzo muscular por medio de motores aplicados a máquinas o a vehículos. Junto a ello se han originado unos efectos indeseados -y a menudo desconocidos y minimizados- que están afectando seriamente a la sostenibilidad del modo de uso de la energía.
La forma como utilizamos la energía también afecta las posibilidades de mantener un desarrollo de nuestra sociedad. Si consumimos demasiado poca energía, deberemos consumir demasiado esfuerzo para cubrir las necesidades básicas, y no podremos dedicar el esfuerzo necesario para desarrollarnos. Pero si consumimos demasiada energía, el coste (monetario, ambiental o de recursos) de este excesivo consumo nos obligará a dedicarle un esfuerzo adicional que no podremos orientar hacia el desarrollo que perseguimos.
Las formas de energía que se han utilizado para las actividades básicas desarrolladas en el medio urbano de nuestro entorno han ido evolucionando con el tiempo. El cocinar -que se hizo casi exclusivamente con leña durante muchos siglos- se ha ido realizando además con carbón en ciertos lugares (en fogones abiertos, en hornos y en cocinas "económicas"), con petróleo, gas (ciudad obtenido a partir del carbón, la leña o el petróleo, o butano y natural en tiempos más modernos) o electricidad en nuestras tierras, pero también se ha empleado estiércol o los rayos solares en otras culturas.
La calefacción se ha conseguido con leña (en chimeneas o diversos tipos de estufas), carbón, petróleo, gas y electricidad, pero también con residuos como el serrín (en estufas), la paja (en los purgatorios, conducciones de aire caliente bajo el suelo), el orujo (en los braseros) o la energía solar ya sea con sistemas pasivos, activos o mixtos.
Para la iluminación se han utilizado aceites, grasas, carburos, ceras, petróleo, gas y electricidad de la red o fotovoltaica. Ciertas actividades mecánicas -como la molienda del grano de los cereales- se han efectuado además de manualmente, por medio de animales, de ruedas hidráulicas o de molinos de viento por lo que es frecuente aún hoy encontrar calles y plazas con nombres que lo recuerdan (del molino, de las muelas, de la acequia).
El suministro de agua a las ciudades se ha conseguido por medio de la gravedad (canalizaciones), por medio de ruedas hidráulicas movidas por los ríos y las mareas, o por medio de bombas accionadas por vapor, gas o electricidad.
Para el transporte colectivo de personas o de mercancías se utilizaron animales de tiro durante siglos,seguidos de vehículos propulsados por motores de vapor (a carbón), por motores eléctricos (a partir de pilas al principio y de baterías posteriormente, o alimentados por cables externos como en metros, tranvías y trolebuses), de gas (natural, licuados del petróleo, u obtenidos por la pirólisis de residuos vegetales como las cáscaras de almendra en los llamados "gasógenos"), o tirados por cables (como los funiculares y el famoso tranvía de San Francisco).
Como puede verse, no hay un determinismo tecnológico respecto a las fuentes y técnicas a utilizar. Las situaciones actuales son producto de las decisiones tomadas a lo largo de la historia en cuanto el tipo y la calidad de las prestaciones, los costes económicos directos y "externos", la salubridad, la contaminación y la asignación de los recursos energéticos entre otros factores.
A título de ejemplo, citemos diversos casos de prohibición de ciertas fuentes en ciudades a lo largo de la historia. En Inglaterra la hulla fue prohibida por los problemas sanitarios causados por el humo que producía, y la leña lo fue por la prioridad que tenía para la marina mercante. El carbón y otros combustibles sólidos similares en París se prohibieron por el problema que originaban las cenizas en las basuras. En situaciones de contaminación demasiado elevada, se prohíben ciertos tipos de combustibles en muchas ciudades. En España los vehículos particulares no pueden utilizar los GLP como lo hacen ciertos vehículos públicos. Lo curioso es que en los domicilios particulares podemos almacenar bombonas con GLP pero no la gasolina que almacenamos en los vehículos particulares.


                                    

Principio de conservación de la energia

El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación.

En el caso de la energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de rozamientos y sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las energías cinética y potencial permanece constante. Este fenómeno se conoce con el nombre de Principio de conservación de la energía mecánica

LOS estudios decisivos que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor fueron realizados en 1840 por James Joule en la Gran Bretaña. Tales estudios estuvieron inspirados en los trabajos que Rumford había llevado a cabo casi cincuenta años antes y que describimos en el capítulo anterior. En un trabajo intitulado EI equivalente mecánico de calor, que data de 1843 y que fue publicado en 1850, Joule presentó evidencia inequívoca justificando las conclusiones de Rumford. Al respecto escribió: 
  

Durante mucho tiempo ha sido una hipótesis favorita que el calor consiste de una fuerza o potencia perteneciente a los cuerpos, pero le fue reservado al conde Rumford llevar a cabo los primeros experimentos decididamente en favor de esta idea. El justamente famoso filósofo natural demostró por sus ingeniosos experimentos que la gran cantidad de calor excitada por la horadación de un canón no puede asociarse a un cambio que tiene lugar en la capacidad calorífica del metal, por lo tanto él concluye que el movimiento del taladro se transmite a las partículas del metal, produciéndose así el fenómeno del calor.

Transferencia de calor: del cuerpo de mayor a menor temperatura

La energía térmica

La energía térmica es la energía cinética (relacionada con el movimiento) media de un conjunto muy grande de átomos o moléculas. Esta energía cinética media depende de la temperatura, que se relaciona con el movimiento de las partículas (átomos y moléculas) que constituyen las sustancias.

La temperatura

La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC.

En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.

En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.

Calor y equilibrio térmico

Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico.

Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma.

Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico.

El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta otro de menor temperatura. Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía.

Equilibrio termico

La Termodinámica proporciona una descripción macroscópica de los sistemas que estudia, sin hacer hipótesis acerca de la estructura microscópica de esos sistemas. Sin embargo, existen otras disciplinas, como la Mecánica Estadística, que estudian los mismos fenómenos de la Termodinámica, pero desde un enfoque microscópico.

En particular, el concepto de equilibrio térmico está ligado al concepto de temperatura al decir que dos sistemas en equilibrio térmico tienen la misma temperatura. Desde un punto de vista microscópico, la temperatura esta asociada a la energía cinética promedio que tienen las partículas que constituyen el sistema, a saber, átomos, moléculas y/o la estructura electrónica de la sustancia que constituye el sistema. Macroscópicamente, esta energía cinética promedio de las partículas de un sistema es lo que en la Termodinámica se llama energía interna, que es una energía que depende casi exclusivamente de la temperatura del sistema. A mayor energía cinética promedio de las partículas que constituyen un sistema, mayor energía interna y, en general, mayor temperatura del sistema.

La situación de dos sistemas en contacto térmico se interpreta microscópicamente como que las partículas de la superficie de interfase de ambos sistemas son capaces de interactuar entre sí. Básicamente se puede ver que, microscópicamente, las partículas del sistema de mayor temperatura (que tienen mayor energía cinética) van a transferir parte de su energía a las partículas del otro sistema. Se encuentra que esta interacción entre los dos sistemas da lugar a que las partículas de los dos sistemas alcancen la misma energía cinética promedio y, por lo tanto, la misma temperatura. Es decir, desde un punto de vista microscópico, se entiende como equilibrio térmico entre dos sistemas que las partículas de los dos sistemas tengan la misma energía cinética promedio.

Desde un punto de vista macroscópico, se dice que los sistemas un estado de equilibrio, bajo las condiciones indicadas en la sección definición termodinámica del equilibrio térmico. En cambio, desde un punto de vista microscópico, el estado de equilibrio se refiere al promedio, ya que los dos sistemas continúan intercambiando energía incluso una vez alcanzado el equilibrio térmico. Sin embargo, la energía cinética individual de una partícula no es estacionaria, sino que es el promedio de la distribución de energías de todas las partículas del sistema lo que no cambia en el tiempo.

De igual manera que para el caso macroscópico, se puede extender el concepto de equilibrio térmico a un único sistema donde, en esa situación de equilibrio, las partículas de dos partes cualesquiera del sistema tienen la misma energía cinética promedio.

                                                              

Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico.

Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecera un flujo deenergía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.

Transformación de la energía calorifica

La luz del sol llega a la Tierra, sus rayos son energía, veamos la transformación de la energía calorífica. La energía calorífica es la manifestación de la energía en forma de calor, esta energía se puede transmitir de un cuerpo a otro por radiación, conducción y convección.
La energía calorífica del sol nos llega a través de las radiaciones solares, esta energía se puede transformar en energía eléctrica gracias a distintos procesos desarrollados como los paneles solares, el problema es que esta tecnología todavía no está completamente desarrollada.

Las plantas, por medio de la fotosíntesis transforma la energía luminosa en energía química.

La energía térmica se obtiene directamente al exponer cualquier objeto a los rayos solares.

La estufa de gas butano necesita la energía que le proporciona el gas para calentar los alimentos.

Una estufa eléctrica transforma esa electricidad en calor.

La energía térmica pasa de los cuerpos calientes a los fríos cuando estos se ponen en contacto.

Cuando un combustible se quema produce energía térmica.

En las centrales térmicas se obtiene energía eléctrica de la siguiente manera:

• El combustible se inyecta a la caldera junto con el aire y allí arde produciendo calor (energía química pasa a energía calorífica)
• El calor evapora el agua que es forzada por una bomba a circular por los tubos de la caldera.
• El vapor pasa por la turbina haciéndola girar. La energía termomecánica del vapor produce energía mecánica.
• La turbina hace girar al generador, así se transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

El equilibrio térmico se alcanza cuando, al poner juntos dos cuerpos de distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menor y se igualan.

Principio de la conservación de la energía:  la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

 en física, transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

Corriente eléctrica y resistencia

Se le llama resistencia eléctrica a la mayor o menor oposición que tienen los electrones para desplazarse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el sistema internacional es el ohm, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán George Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre. La resistencia está dada por la siguiente fórmula:

En donde ρ es el coeficiente de proporcionalidad o la resistividad del material.

La resistencia de un material depende directamente de dicho coeficiente, además es directamente proporcional a su longitud (aumenta conforme es mayor su longitud) y es inversamente proporcional a su sección transversal (disminuye conforme aumenta su grosor o sección transversal)

Descubierta por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual a la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidadeses el ohmio (Ω). Para su medición en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro. Además, su cantidad recíproca es la conductancia, medida enSiemens.

Además, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón entre la diferencia de potencial eléctrico y la corriente en que atraviesa dicha resistencia, así:¹

Donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios.

También puede decirse que "la intensidad de la corriente que pasa por un conductor es directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional a su resistencia"

Según sea la magnitud de esta medida, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductor. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

                                                                                                                                   

Efectos de atracción y repulsión electrostaticas

La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas: positiva y negativa. Si frotas dos objetos uno adquiere un exceso de carga negativa y el otro adquiere un exceso de carga positiva.

Dos objetos con carga positiva se repelen. Dos objetos con carga negativa también se repelen, pero un objeto con carga positiva atraerá a un objeto con carga

Materiales aislantes: estos materiales no conducen la electricidad, en cambio, los materiales conductores permiten el paso de la electricidad en ellos. 

Las fuerzas repulsivas más significativas que pueden existir entre las partículas sólidas de una suspensión, son las que derivan de la existencia de la doble capa eléctrica. Todas las partículas sólidas de una suspensión son de la misma naturaleza, luego si se produce una adsorción de iones y se genera una doble capa eléctrica alrededor de cada partícula, cada una de ellas tendrá una carga eléctrica del mismo signo. Esta carga, de acuerdo a la ley de Coulomb, generará una fuerza repulsiva entre todas y cada una de las partículas tendiendo, en consecuencia, a mantenerlas separadas. 

Las fuerzas atractivas entre las partículas sólidas de una suspensión pueden generarse por interacciones entre dipolos permanentes o inducidos, existentes o creados, en las partículas y también por efectos cuánticos. Estas fuerzas atractivas se denominan, fuerzas de London-Van der Waals y son también una función de la inversa de la distancia que separa las partículas elevadas a un exponente. Se comprende, por lo tanto, que si bien estas fuerzas son muy intensas a pequeñas distancias, al estar elevada esta distancia a un exponente tan alto, la intensidad de las fuerzas disminuye con mucha rapidez cuando la distancia aumenta