2.2 ENERGÍA


En el lenguaje que empleas a diario con frecuencia utilizas palabras que tienen un significado más profundo del que comúnmente le das; por ejemplo, a la luz la asocias con la energía eléctrica; la fuerza se relaciona con el esfuerzo físico, energía, velocidad

o potencia; otros ejemplos son la confusión entre velocidad y rapidez y el uso cotidiano de términos como trabajo y energía. Pero hay que tener cuidado, ya que el vocabulario científico es mucho más riguroso.

El concepto de energía tiene una buena dosis de abstracción, y para que lo entiendas habrá que hacer generalizaciones que van más allá de las actividades de la vida cotidiana. La palabra energía se usa comúnmente en expresiones como: “se me acabó la energía”, “come, para que tengas energía”, “se detuvo porque se le acabó la energía”, en estos casos el concepto se utiliza como si existiera “algo” que mantiene en movimiento a las cosas.

La energía está presente en todo lo que ocurre, desde el proceso de pensar y leer estas líneas, lo que ocurre en los seres vivos; los cambios físicos y hasta los procesos estelares, se deben a la intervención de la energía.

El nivel de utilización de la energía por el hombre a través de su historia tiene relación con la civilización, ya que en el desarrollo de la industria, la agricultura y las actividades comerciales interviene una gran cantidad de ella; por ejemplo, los hombres primitivos, cuya actividad principal era la recolección de frutos, gastaban aproximadamente 1000 kilocalorías diarias y en la actualidad el gasto de energía de cada persona en una sociedad de consumo rebasa las 2 500 kilocalorías diarias; en la actividad comercial, el descubrimiento de diversas formas de energía ha evolucionado desde el empleo de animales, como una manera de desplazar mercancías, hasta el de combustibles especiales para el transporte aéreo.

No es posible encerrar en una sola frase el significado del término energía, por lo que iniciaremos por conocer sus diferentes manifestaciones, refiriéndolas siempre a su utilización.

Si queremos cambiar de posición algún objeto, necesitamos jalarlo o empujarlo ya sea por medio de nuestros músculos o de un artefacto como una grúa o remolque. Estos jalones o empujones son manifestaciones de energía llamadas fuerzas.

Si aplicas una fuerza sobre un cuerpo que está en reposo, éste se desplaza una cierta distancia, en la misma dirección y sentido que la fuerza aplicada, es decir, el cuerpo se mueve desde el reposo con una velocidad y el movimiento que se produce hace que el cuerpo gane energía a la que se le conoce como energía cinética o de movimiento.

Figura 6. Aplicaciones de la energía cinética y potencial

Como puedes observar en el dibujo, la grúa levanta una pesa sobre el pilote, para luego soltarlo y hacer que éste se entierre. Es evidente que mientras más altura adquiera la pesa caerá con mayor fuerza sobre el pilote. La energía que se genera al soltar la pesa es la energía cinética de la que habíamos hablado, mientras que la energía que adquiere la pesa al ser levantada a una cierta altura (h) se llama energía potencial, y se define como la energía almacenada en un cuerpo por la posición que tiene respecto a otro que se toma como referencia. En nuestro ejemplo nos remitimos a la pesa y a la tierra; así, mientras más altura alcance la pesa mayor energía potencial almacenará.

Ya conociste los diferentes tipos de energía, después de observar el dibujo puedes contestar lo siguiente: ¿Qué clases de energía intervienen para enterrar los pilotes de una construcción.

Antes de continuar debemos tener presente que en el Universo existe una cierta cantidad de energía, la cual se manifiesta de diferentes formas y siempre es constante. Esta energía al participar en los cambios de la materia, se transforma de un tipo a otro, pero la suma total de todas ellas no cambia. A ésto se le conoce como la ley de la conservación de la energía que establece que al igual que la materia:

La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma

Ahora bien, cuando describimos la materia, se explicó que está formada por partículas en continuo movimiento. Este movimiento de partículas produce en los cuerpos una energía interna que es la suma de las energías cinética (de movimiento) y potencial (de posición) de sus partículas y que se conoce como energía térmica. Esta energía aumenta al calentar la materia y disminuye al enfriarla.

Cuando dos objetos de diferente energía térmica se ponen en contacto, se transfiere energía de uno a otro; por ejemplo, supongamos que se vacía una cubeta de carbón caliente en un recipiente con agua, el carbón transferirá energía térmica al agua hasta que los materiales tengan la misma temperatura; a ésto se llama equilibrio térmico. Después de un tiempo cuando se toca el carbón y el agua, ambos producen la misma sensación de caliente o de frío y ya no hay más transferencia de energía térmica entre ellos.

Este intercambio de energía térmica se denomina temperatura, la cual indica que dos objetos están en equilibrio térmico. La energía térmica está asociada a la cantidad de partículas y a su movimiento; debido a que este movimiento es muy difícil de determinar, no es posible medir dicha energía directamente; sin embargo, si podemos establecer el equilibrio térmico que alcanzan dos cuerpos. Así, cuando ponemos en contacto un termómetro con otro cuerpo y permitimos que alcancen el equilibrio térmico, la temperatura del termómetro corresponde a la temperatura del objeto, de esta forma medimos indirectamente la energía térmica.

La diferencia entre los conceptos de energía térmica y temperatura se pueden ilustrar con el siguiente ejemplo: si mezclas el agua de una jarra a 85 grados centígrados con el agua de un vaso a la misma temperatura, no habrá transferencia de energía, a pesar de que la energía térmica es mucho mayor en la jarra ya que contiene más partículas. Recuerda que la energía térmica representa la suma de las energías cinéticas y potencial de todas las partículas.

Otro ejemplo, en el que puedes identificar la diferencia entre energía térmica y temperatura, son las siguientes ilustraciones.

¿Qué ocurriría si se vacía el agua de cada uno de los recipientes sobre cantidades iguales de hielo por separado?.

Observarás que el agua de la jarra funde mayor cantidad de hielo que el agua del vaso, lo cual indica que el agua de la jarra tenía mayor energía térmica.

La energía que transita de un cuerpo de alta temperatura a otro de baja temperatura se define como calor, es decir, el calor es el intercambio de energía térmica entre un cuerpo que la pierde y otro que la gana. Las unidades utilizadas para medirlo son la caloría (cal) y la kilocaloría (kcal).

¿Qué es una caloría?. Para establecer esta unidad se tomó como referencia el agua, de tal modo que una caloría (1 cal = 4.184 joules) es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar en un grado centígrado (de 14.5 ºC a 15.5 ºC) la temperatura de un gramo de agua. En ocasiones se usa el múltiplo kilocaloría que equivale a 1000 calorías.

Si quemamos un papel o un trozo de madera obtenemos energía en forma de calor; esta energía estaba, de alguna manera, almacenada en los materiales; este ejemplo nos muestra otra forma de energía; la energía química que es la que se encuentra almacenada en las sustancias y que determina la facilidad con la que éstas efectúan un cambio químico.

La energía química almacenada puede liberarse mediante una reacción o cambio químico. En esta forma, muchas sustancias actúan como fuentes o almacenamiento de energía que se emplea cuando se requiere, por ejemplo, la energía almacenada en las plantas es utilizada por los animales y el hombre al alimentarse para obtener la energía necesaria y sus actividades.

En las modificaciones que experimenta la materia se puede absorber o liberar energía que se presenta en diversas formas, ya sea eléctrica, luminosa o calor. Toda la energía que necesitamos para los procesos vitales se produce por los cambios ocurridos en la materia; en sentido inverso, la energía causa cambios en la materia. En nuestra vida algunos de los aparatos que usamos funcionan mediante la interconversión entre la energía eléctrica y la química. Por ejemplo, la energía química se transforma en eléctrica en las diferentes pilas o acumuladores al reaccionar las sustancias que contienen, provocando una corriente eléctrica que se aprovecha en aparatos electrodomésticos y en los automóviles.

En otros casos, la energía eléctrica se transforma en energía química, como por ejemplo en la electrólisis, que es un proceso en el cual una sustancia se descompone por la acción de la energía eléctrica.

La electrólisis desempeña un papel importante en la industria química; muchos metales como sodio (Na), magnesio (Mg) o el aluminio (Al) se obtiene de esta manera, de igual manera se producen el cloro (Cl2) o el agua oxigenada (H2O2). También se emplea este procedimiento para recubrir objetos sólidos de una capa delgada de metal con fines decorativos o de protección, como el chapeado de oro, el cromado, el niquelado, etcétera.

 

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