lunes, 25 de septiembre del 2017 Fecha
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Evolución por la energía

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Energía = Materia    ~    Comentarios Comments (2)

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Cualquier cosa que podamos imaginar… ¡Podría estar en nuestro Universo!

El universo entero es energía. En sus formas diferentes la energía cambia continuamente y lo mismo hace que brillen las estrellas del cielo, que los planetas giren, que los estables átomos formen moléculas y materia, que las plantas crezcan o que las civilizaciones evolucionen.

La ciencia del siglo XIX reconoció la universalidad de la energía y supo ver que la Humanidad sin energía que hiciera el trabajo más duro, no evolucionarían en el bienestar social y el saber.

De todas maneras, aún hoy día, a comienzos del siglo XXI, no tenemos un conocimiento unificado de todos los ámbitos y disciplinas, que relacionados de una u otra manera con la energía, nos presente una visión global y completa de este problema. Los estudios energéticos modernos se presentan fragmentados, divididos en disciplinas, y los científicos que trabajan en cada una de ellas están muy ocupados para leer el resultado obtenido en los otros estudios.

Resultado de imagen de Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planetaResultado de imagen de Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planeta

Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planeta por el movimiento de las placas tectónicas, rara vez están al día de los descubrimientos en las otras ramas de la energética moderna, donde se estudia desde el esfuerzo de un corredor de élite hasta el vuelo de un colibrí.

Los ingenieros se preocupan por las plantas generadoras de electricidad y piensan poco en las constantes fundamentales de la energía o en los cambios que determinaron la evolución de las sociedades antes de la llegada de la civilización de los combustibles fósiles.

Resultado de imagen de El resplandeciente Sol

Energía es todo, desde el Sol hasta un embarazo; desde el pan que comemos hasta un microchip. Sin embargo, es difícil que un técnico pueda pensar en ello cuando está centrado en resolver el problema del momento.

La progresión lógica se realiza siguiendo una secuencia progresiva desde los flujos de energía planetarios a la vida de las plantas y los animales, siguiendo con la energía humana, la energía en el desarrollo de las sociedades preindustriales y modernas, y concluyendo con el transporte y los flujos de información, que son las dos características más importantes de la civilización de los combustibles fósiles.

Resultado de imagen de Entropía

Los que han leído algunos de mis trabajos saben que aquí podrán encontrarse con datos y materias diversas, y aunque el tema central, como he reseñado por título, es la evolución por la energía, también podrán leer sobre la entropía, las fuerzas de la naturaleza, el átomo, o incluso, del Sol, los vientos, radiación solar o cualquier dato que, en realidad, pueda estar conectado con el concepto de energía.

Operamos con unidades

Resultado de imagen de Diferentes formas de energías

El conocimiento, las peculiaridades y las complejidades de las diferentes formas de energías, así como su almacenamiento y transformación, requiere que cuantifiquemos esas cualidades y procesos. Para ello debemos introducir cierto número de conceptos científicos y medidas, así como sus unidades correspondientes.

Al hablar sobre energía nos encontramos con el problema de que el uso en el habla común de muchos términos científicos está equivocado. Como dice Henk Tennekes, “hemos creado una terrible confusión con los conceptos físicos simples en la vida ordinaria”. Pocos de esos malentendidos son tan generales y molestos como los relacionados con los términos energíapotencia y fuerza.

Resultado de imagen de Empujar un bloque de piedra

Definimos fuerza como la intensidad con la que intentamos desplazar – empujar, tirar, levantar, golpear… – un objeto. Podemos ejercer una fuerza enorme sobre la roca que sobresale en una montaña incluso si ésta permanece inmóvil. Sin embargo, sólo realizamos trabajo cuando el objeto que empujamos se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. De hecho, se define el trabajo realizado como el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. La energía, como se define en los libros de texto, es “la capacidad de hacer trabajo”, y así, ésta se medirá con las mismas unidades que el trabajo.

Resultado de imagen de Unidades de energía con nombres especiales

Si medimos la fuerza en unidades denominadas newton (N), llamada así en honor de Isaac Newton, y la distancia en metros (m), el trabajo se mide en la malsonante unidad de newton-metro. Para simplificar, los científicos llaman al newton-metro julio (J), en honor de James Prescot Joule (1818 – 1889), quien publicó el primer cálculo preciso de la equivalencia entre trabajo y energía. El julio es la unidad estándar de trabajo y energía.

La potencia es simplemente la tasa de trabajo, es decir, un flujo de energía por unidad de tiempo. A un julio por segundo lo llamamos vatio (W) en honor de James Watt (1736 – 1819), inventor de la máquina de vapor mejorada y el hombre que estableció la primera unidad de potencia, que no fue el vatio sino el caballo de vapor (CV), una unidad aproximadamente igual a 750 W.

Seguimos con algunas tablas para documentarnos:

Resultado de imagen de Reservas mundiales de material energético

Almacenamiento de energía
Energía de Magnitud
Reservas mundiales de carbón 200.000 EJ
Reservas mundiales de masa vegetal 10.000 EJ
Calor latente de un tormenta 5 PJ
Carga de carbón de un camión de 100 t 2 TJ
Barril de petróleo crudo 6 GJ
Botella de vino de mesa blanco 3 MJ
Garbanzo pequeño 5 KJ
Mosca en la mesa de la cocina 9 mJ
Gota de agua de 2 mm en una hoja de árbol 4 μJ
Flujos de energía
Energía de Magnitud
Radiación solar 5.500.000 EJ
Fotosíntesis mundial neta 2.000 EJ
Producción mundial de combustibles fósiles 300 EJ
Huracán típico en el Caribe 38 EJ
La mayor explosión de bomba H en 1961 240 PJ
Calor latente de un tormenta 5 PJ
Bomba de Hiroshima en 1945 84 TJ
Metabolismo basal de un caballo grande 100 MJ
Ingesta diaria de un adulto 10 MJ
Pulsación de una tecla del ordenador 20 mJ
Salto de una pulga 100 nJ

Resultado de imagen de Energía mecánica y cinética

Resultado de imagen de Energía cinéticaResultado de imagen de Energía cinética

Para avanzar un poco más tenemos que pasar de empujar y tirar (lo que llamamos energía mecánica o energía cinética) a calentar (energía térmica). Definimos una unidad llamada caloría como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14’5 a 15’5 ºC. Usando esta unidad podemos comparar energías térmicas, pero una vez más, esta unidad no nos permite comparar todas las clases diferentes de energías.

Si nos preguntamos ¿qué es la energía?, esta pregunta no es fácil de contestar. Incluso uno de los más grandes físicos modernos resulta de poca ayuda: “es importante darse cuenta de que en física, en realidad, no se sabe muy bien qué es la energía. No tenemos una idea de por qué la energía está formada por pequeños pulsos de una cantidad definida”, decía Richard Feynman en su libro Lectures on Physics.

David Rose, para definir la energía, decía: “es un concepto abstracto inventado por los físicos en el siglo XIX para describir cuantitativamente una amplia variedad de fenómenos naturales”.

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E: representa la energía

m: la masa

c: la velocidad de la luz en el vacío ¡casi 300 000 km/s!

Einstein nos dijo: “la masa y la energía son manifestaciones de una misma cosa”.

El conocimiento moderno de la energía incluye un número de descubrimientos fundamentales: la masa y la energía son equivalente; los diferentes tipos de energía están relacionados por muchas transformaciones; durante esas transformaciones, la energía no se destruye (primer principio de la termodinámica) y esta conservación de la energía está inexorablemente acompañada por una pérdida de utilidad (segundo principio de la termodinámica).

El primer descubrimiento, descrito en una carta de Einstein a un amigo suyo como una “idea atrevida, divertida y atractiva”, se resume en su ecuación m = E/c2, que en su versión más famosa se escribe como E = mc2; la ecuación más conocida de la física.

Resultado de imagen de La gravedad mantiene unido los planetas

El segundo descubrimiento se demuestra continuamente en miles de trasformaciones energéticas que se producen en el universo. La energía gravitatoria mantiene las galaxias en movimiento, a la Tierra girando alrededor del Sol y confinada la atmósfera que hace nuestro planeta habitable. La transformación de la energía nuclear en el interior del Sol produce el continuo flujo de energía electromagnética, llamada radiación solar. Una pequeña parte de esa energía llega al planeta Tierra que, a su vez, libera energía geotérmica. El calor producido en ambos procesos pone en movimiento la atmósfera, los océanos y las gigantescas placas tectónicas terrestres.

Resultado de imagen de la energía del Sol se transforma en en energía química

Una pequeña parte de la energía radiante del Sol se transforma, a través de la fotosíntesis, en reservas de energía química, que son utilizadas por muchas clases de bacterias y plantas. Los seres heterótrofos (organismos que van desde las bacterias, los protozoos y los hongos hasta los mamíferos), ingieren y reorganizan vegetales de las plantas en nuevos enlaces químicos y los utilizan para crear energía mecánica (cinética).

La energía química almacenada durante millones de años en los combustibles fósiles se libera por combustión en calderas y máquinas como energía termal (térmica), la cual, a través de muchos procesos se convierte en energía mecánica, química o electromagnética.

Resultado de imagen de Terremotos

La colisión entre las placas terrestres lleva a que las rocas conformantes de la corteza puedan romperse (fallarse) o bien plegarse. Este último proceso ocurre en aquellos estratos rocosos que se ven sometidos a altas presiones y temperaturas, que permiten que las rocas se tornen dúctiles. Las cadenas montañosas o cordilleras se generan por la colisión de las placas tectónicas y, por lo general, se localizan cerca de sus márgenes.

Potencia de fenómenos de corta duración
Flujos de energía Duración Potencia
Terremoto de magnitud 8 en la E. Richter 30 s 1’6 PW
Gran erupción volcánica 10 h 100 TW
Energía cinética de una tormenta 20 min 100 GW
Gran bombardeo de la 2ª Guerra Mundial 1 h 20 GW
Tornado medio en EE.UU. 3 min 1’7 GW
Los cuatro motores del Boeing 747 10 h 60 MW
La mayor máquina de vapor de Watt 10 h 100 KW
Carrera de 100 m 10 s 1’3 KW
Lavadora doméstica 20 min 500 W
Audición de un CD 60 min 25 W
Una vela 2 h 5 W
El vuelo de un colibrí 3 min 0’7 W

Resultado de imagen de El segundo principio de la termodinámica

El segundo principio de la termodinámica se refiere a la inevitable realidad de que a lo largo de la cadena de transformación de la energía se va perdiendo la capacidad de realizar un trabajo útil. Hay una magnitud asociada con esta pérdida de utilidad de la energía que se llama entropía; en cada transformación la energía se conserva, pero la entropía del sistema en su conjunto sólo puede aumentar. No hay nada que podamos hacer contra esta disminución de utilidad. Un barril de petróleo es un almacén de energía muy útil y de baja entropía que se puede transformar en calor, electricidad, movimiento y luz. Las moléculas calientes de aire emitidas por el tubo de escape de un motor o la luz que rodea una bombilla representan un estado de alta entropía en el que se producen irrecuperables pérdidas de utilidad.

En un sistema cerrado, este proceso unidireccional de disipación entrópica tiene la inevitable consecuencia de una pérdida de la complejidad y un aumento de la homogeneidad. Esto se puede ver si usted compara la multitud de moléculas orgánicas que componen el petróleo con la monotonía de unos pocos tipos de moléculas sencillas que forman los gases del tubo de escape.

Por el contrario, todos los organismos vivos (desde las bacterias hasta las civilizaciones humanas) son sistemas abiertos, que están importando y exportando energía constantemente; son capaces de mantenerse en estado de desequilibrio químico y termodinámico, creciendo y evolucionando hasta una mayor heterogeneidad y complejidad. Desafían temporalmente la tendencia entrópica.

No conviene utilizar unidades inadecuadas para medir esta gran variedad de procesos, porque casi siempre las cifras estarían seguidas o precedidas de muchos ceros. Tanto el julio como el vatio representan respectivamente cantidades muy pequeñas de energía y potencia. Aproximadamente 30 microgramos de carbón o 2 segundos de metabolismo de un ratón de campo equivalen a 1 julio. Un vatio es la potencia de una pequeña vela encendida o el vuelo rápido de un colibrí.

emilio silvera

Evolución por la energía

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Cualquier cosa que podamos imaginar… ¡Podría estar en nuestro Universo!

El universo entero es energía. En sus formas diferentes la energía cambia continuamente y lo mismo hace que brillen las estrellas del cielo, que los planetas giren, que los estables átomos formen moléculas y materia, que las plantas crezcan o que las civilizaciones evolucionen.

La ciencia del siglo XIX reconoció la universalidad de la energía y supo ver que la Humanidad sin energía que hiciera el trabajo más duro, no evolucionarían en el bienestar social y el saber.

De todas maneras, aún hoy día, a comienzos del siglo XXI, no tenemos un conocimiento unificado de todos los ámbitos y disciplinas, que relacionados de una u otra manera con la energía, nos presente una visión global y completa de este problema. Los estudios energéticos modernos se presentan fragmentados, divididos en disciplinas, y los científicos que trabajan en cada una de ellas están muy ocupados para leer el resultado obtenido en los otros estudios.

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Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planeta por el movimiento de las placas tectónicas, rara vez están al día de los descubrimientos en las otras ramas de la energética moderna, donde se estudia desde el esfuerzo de un corredor de élite hasta el vuelo de un colibrí.

Los ingenieros se preocupan por las plantas generadoras de electricidad y piensan poco en las constantes fundamentales de la energía o en los cambios que determinaron la evolución de las sociedades antes de la llegada de la civilización de los combustibles fósiles.

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Energía es todo, desde el Sol hasta un embarazo; desde el pan que comemos hasta un microchip. Sin embargo, es difícil que un técnico pueda pensar en ello cuando está centrado en resolver el problema del momento.

La progresión lógica se realiza siguiendo una secuencia progresiva desde los flujos de energía planetarios a la vida de las plantas y los animales, siguiendo con la energía humana, la energía en el desarrollo de las sociedades preindustriales y modernas, y concluyendo con el transporte y los flujos de información, que son las dos características más importantes de la civilización de los combustibles fósiles.

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Los que han leído algunos de mis trabajos saben que aquí podrán encontrarse con datos y materias diversas, y aunque el tema central, como he reseñado por título, es la evolución por la energía, también podrán leer sobre la entropía, las fuerzas de la naturaleza, el átomo, o incluso, del Sol, los vientos, radiación solar o cualquier dato que, en realidad, pueda estar conectado con el concepto de energía.

Operamos con unidades

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El conocimiento, las peculiaridades y las complejidades de las diferentes formas de energías, así como su almacenamiento y transformación, requiere que cuantifiquemos esas cualidades y procesos. Para ello debemos introducir cierto número de conceptos científicos y medidas, así como sus unidades correspondientes.

Al hablar sobre energía nos encontramos con el problema de que el uso en el habla común de muchos términos científicos está equivocado. Como dice Henk Tennekes, “hemos creado una terrible confusión con los conceptos físicos simples en la vida ordinaria”. Pocos de esos malentendidos son tan generales y molestos como los relacionados con los términos energía, potencia y fuerza.

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Definimos fuerza como la intensidad con la que intentamos desplazar – empujar, tirar, levantar, golpear… – un objeto. Podemos ejercer una fuerza enorme sobre la roca que sobresale en una montaña incluso si ésta permanece inmóvil. Sin embargo, sólo realizamos trabajo cuando el objeto que empujamos se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. De hecho, se define el trabajo realizado como el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. La energía, como se define en los libros de texto, es “la capacidad de hacer trabajo”, y así, ésta se medirá con las mismas unidades que el trabajo.

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Si medimos la fuerza en unidades denominadas newton (N), llamada así en honor de Isaac Newton, y la distancia en metros (m), el trabajo se mide en la malsonante unidad de newton-metro. Para simplificar, los científicos llaman al newton-metro julio (J), en honor de James Prescot Joule (1818 – 1889), quien publicó el primer cálculo preciso de la equivalencia entre trabajo y energía. El julio es la unidad estándar de trabajo y energía.

La potencia es simplemente la tasa de trabajo, es decir, un flujo de energía por unidad de tiempo. A un julio por segundo lo llamamos vatio (W) en honor de James Watt (1736 – 1819), inventor de la máquina de vapor mejorada y el hombre que estableció la primera unidad de potencia, que no fue el vatio sino el caballo de vapor (CV), una unidad aproximadamente igual a 750 W.

Seguimos con algunas tablas para documentarnos:

Resultado de imagen de Reservas mundiales de material energético

Almacenamiento de energía
Energía de Magnitud
Reservas mundiales de carbón 200.000 EJ
Reservas mundiales de masa vegetal 10.000 EJ
Calor latente de un tormenta 5 PJ
Carga de carbón de un camión de 100 t 2 TJ
Barril de petróleo crudo 6 GJ
Botella de vino de mesa blanco 3 MJ
Garbanzo pequeño 5 KJ
Mosca en la mesa de la cocina 9 mJ
Gota de agua de 2 mm en una hoja de árbol 4 μJ
Flujos de energía
Energía de Magnitud
Radiación solar 5.500.000 EJ
Fotosíntesis mundial neta 2.000 EJ
Producción mundial de combustibles fósiles 300 EJ
Huracán típico en el Caribe 38 EJ
La mayor explosión de bomba H en 1961 240 PJ
Calor latente de un tormenta 5 PJ
Bomba de Hiroshima en 1945 84 TJ
Metabolismo basal de un caballo grande 100 MJ
Ingesta diaria de un adulto 10 MJ
Pulsación de una tecla del ordenador 20 mJ
Salto de una pulga 100 nJ

Resultado de imagen de Energía mecánica y cinética

Resultado de imagen de Energía cinéticaResultado de imagen de Energía cinética

Para avanzar un poco más tenemos que pasar de empujar y tirar (lo que llamamos energía mecánica o energía cinética) a calentar (energía térmica). Definimos una unidad llamada caloría como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14’5 a 15’5 ºC. Usando esta unidad podemos comparar energías térmicas, pero una vez más, esta unidad no nos permite comparar todas las clases diferentes de energías.

Si nos preguntamos ¿qué es la energía?, esta pregunta no es fácil de contestar. Incluso uno de los más grandes físicos modernos resulta de poca ayuda: “es importante darse cuenta de que en física, en realidad, no se sabe muy bien qué es la energía. No tenemos una idea de por qué la energía está formada por pequeños pulsos de una cantidad definida”, decía Richard Feynman en su libro Lectures on Physics.

David Rose, para definir la energía, decía: “es un concepto abstracto inventado por los físicos en el siglo XIX para describir cuantitativamente una amplia variedad de fenómenos naturales”.

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E: representa la energía

m: la masa

c: la velocidad de la luz en el vacío ¡casi 300 000 km/s!

Einstein nos dijo: “la masa y la energía son manifestaciones de una misma cosa”.

El conocimiento moderno de la energía incluye un número de descubrimientos fundamentales: la masa y la energía son equivalente; los diferentes tipos de energía están relacionados por muchas transformaciones; durante esas transformaciones, la energía no se destruye (primer principio de la termodinámica) y esta conservación de la energía está inexorablemente acompañada por una pérdida de utilidad (segundo principio de la termodinámica).

El primer descubrimiento, descrito en una carta de Einstein a un amigo suyo como una “idea atrevida, divertida y atractiva”, se resume en su ecuación m = E/c2, que en su versión más famosa se escribe como E = mc2; la ecuación más conocida de la física.

Resultado de imagen de La gravedad mantiene unido los planetas

El segundo descubrimiento se demuestra continuamente en miles de trasformaciones energéticas que se producen en el universo. La energía gravitatoria mantiene las galaxias en movimiento, a la Tierra girando alrededor del Sol y confinada la atmósfera que hace nuestro planeta habitable. La transformación de la energía nuclear en el interior del Sol produce el continuo flujo de energía electromagnética, llamada radiación solar. Una pequeña parte de esa energía llega al planeta Tierra que, a su vez, libera energía geotérmica. El calor producido en ambos procesos pone en movimiento la atmósfera, los océanos y las gigantescas placas tectónicas terrestres.

Resultado de imagen de la energía del Sol se transforma en en energía química

Una pequeña parte de la energía radiante del Sol se transforma, a través de la fotosíntesis, en reservas de energía química, que son utilizadas por muchas clases de bacterias y plantas. Los seres heterótrofos (organismos que van desde las bacterias, los protozoos y los hongos hasta los mamíferos), ingieren y reorganizan vegetales de las plantas en nuevos enlaces químicos y los utilizan para crear energía mecánica (cinética).

La energía química almacenada durante millones de años en los combustibles fósiles se libera por combustión en calderas y máquinas como energía termal (térmica), la cual, a través de muchos procesos se convierte en energía mecánica, química o electromagnética.

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La colisión entre las placas terrestres lleva a que las rocas conformantes de la corteza puedan romperse (fallarse) o bien plegarse. Este último proceso ocurre en aquellos estratos rocosos que se ven sometidos a altas presiones y temperaturas, que permiten que las rocas se tornen dúctiles. Las cadenas montañosas o cordilleras se generan por la colisión de las placas tectónicas y, por lo general, se localizan cerca de sus márgenes.

Potencia de fenómenos de corta duración
Flujos de energía Duración Potencia
Terremoto de magnitud 8 en la E. Richter 30 s 1’6 PW
Gran erupción volcánica 10 h 100 TW
Energía cinética de una tormenta 20 min 100 GW
Gran bombardeo de la 2ª Guerra Mundial 1 h 20 GW
Tornado medio en EE.UU. 3 min 1’7 GW
Los cuatro motores del Boeing 747 10 h 60 MW
La mayor máquina de vapor de Watt 10 h 100 KW
Carrera de 100 m 10 s 1’3 KW
Lavadora doméstica 20 min 500 W
Audición de un CD 60 min 25 W
Una vela 2 h 5 W
El vuelo de un colibrí 3 min 0’7 W

 

 

Resultado de imagen de El segundo principio de la termodinámica

 

El segundo principio de la termodinámica se refiere a la inevitable realidad de que a lo largo de la cadena de transformación de la energía se va perdiendo la capacidad de realizar un trabajo útil. Hay una magnitud asociada con esta pérdida de utilidad de la energía que se llama entropía; en cada transformación la energía se conserva, pero la entropía del sistema en su conjunto sólo puede aumentar. No hay nada que podamos hacer contra esta disminución de utilidad. Un barril de petróleo es un almacén de energía muy útil y de baja entropía que se puede transformar en calor, electricidad, movimiento y luz. Las moléculas calientes de aire emitidas por el tubo de escape de un motor o la luz que rodea una bombilla representan un estado de alta entropía en el que se producen irrecuperables pérdidas de utilidad.

 

 

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El Universo se puede considerar como un sistema cerrado

 

En un sistema cerrado, este proceso unidireccional de disipación entrópica tiene la inevitable consecuencia de una pérdida de la complejidad y un aumento de la homogeneidad. Esto se puede ver si usted compara la multitud de moléculas orgánicas que componen el petróleo con la monotonía de unos pocos tipos de moléculas sencillas que forman los gases del tubo de escape.

 

 

 

Por el contrario, todos los organismos vivos (desde las bacterias hasta las civilizaciones humanas) son sistemas abiertos, que están importando y exportando energía constantemente; son capaces de mantenerse en estado de desequilibrio químico y termodinámico, creciendo y evolucionando hasta una mayor heterogeneidad y complejidad. Desafían temporalmente la tendencia entrópica.

No conviene utilizar unidades inadecuadas para medir esta gran variedad de procesos, porque casi siempre las cifras estarían seguidas o precedidas de muchos ceros. Tanto el julio como el vatio representan respectivamente cantidades muy pequeñas de energía y potencia. Aproximadamente 30 microgramos de carbón o 2 segundos de metabolismo de un ratón de campo equivalen a 1 julio. Un vatio es la potencia de una pequeña vela encendida o el vuelo rápido de un colibrí.

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Evolución por la energía II

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Resultado de imagen de La energía del UniversoResultado de imagen de La energía del Universo

La energía está en todo, eso es, el Universo

 

Potencia de fenómenos de corta duración
Flujos de energía Duración Potencia
Terremoto de magnitud 8 en la E. Richter 30 s 1’6 PW
Gran erupción volcánica 10 h 100 TW
Energía cinética de una tormenta 20 min 100 GW
Gran bombardeo de la 2ª Guerra Mundial 1 h 20 GW
Tornado medio en EE.UU. 3 min 1’7 GW
Los cuatro motores del Boeing 747 10 h 60 MW
La mayor máquina de vapor de Watt 10 h 100 KW
Carrera de 100 m 10 s 1’3 KW
Lavadora doméstica 20 min 500 W
Audición de un CD 60 min 25 W
Una vela 2 h 5 W
El vuelo de un colibrí 3 min 0’7 W

Resultado de imagen de Segundo principio de la termodinámica

El segundo principio de la termodinámica se refiere a la inevitable realidad de que a lo largo de la cadena de transformación de la energía se va perdiendo la capacidad de realizar un trabajo útil. Hay una magnitud asociada con esta pérdida de utilidad de la energía que se llama entropía; en cada transformación la energía se conserva, pero la entropía del sistema en su conjunto sólo puede aumentar. No hay nada que podamos hacer contra esta disminución de utilidad. Un barril de petróleo es un almacén de energía muy útil y de baja entropía que se puede transformar en calor, electricidad, movimiento y luz. Las moléculas calientes de aire emitidas por el tubo de escape de un motor o la luz que rodea una bombilla representan un estado de alta entropía en el que se producen irrecuperables pérdidas de utilidad.

En un sistema cerrado, este proceso unidireccional de disipación entrópica tiene la inevitable consecuencia de una pérdida de la complejidad y un aumento de la homogeneidad. Esto se puede ver si usted compara la multitud de moléculas orgánicas que componen el petróleo con la monotonía de unos pocos tipos de moléculas sencillas que forman los gases del tubo de escape.

 

Por el contrario, todos los organismos vivos (desde las bacterias hasta las civilizaciones humanas) son sistemas abiertos, que están importando y exportando energía constantemente; son capaces de mantenerse en estado de desequilibrio químico y termodinámico, creciendo y evolucionando hasta una mayor heterogeneidad y complejidad. Desafían temporalmente la tendencia entrópica.

No conviene utilizar unidades inadecuadas para medir esta gran variedad de procesos, porque casi siempre las cifras estarían seguidas o precedidas de muchos ceros. Tanto el julio como el vatio representan respectivamente cantidades muy pequeñas de energía y potencia. Aproximadamente 30 microgramos de carbón o 2 segundos de metabolismo de un ratón de campo equivalen a 1 julio. Un vatio es la potencia de una pequeña vela encendida o el vuelo rápido de un colibrí.

Resultado de imagen de El vuelo rápido del colibríResultado de imagen de El vuelo rápido del colibrí

Prefijo de unidades científicas
Prefijo Abreviatura Notación científica
Deca- D 101
Hecto- H 102
Kilo- K 103
Mega- M 106
Giga- G 109
Tera- T 1012
Peta- P 1015
Exa- E 1018
Deci- d 10-1
Centi- c 10-2
Mili- m 10-3
Micro- μ 10-6
Nano- n 10-9
Pico- p 10-12
Femto- f 10-15
Atto- a 10-18

Como los múltiplos son inevitables, se introduce una serie de prefijos para abreviar los múltiplos más útiles: un kilogramo de buen carbón equivale a cerca de 30 millones de julios, 30 megajulios (MJ) de energía, y el consumo actual de combustibles fósiles en el mundo es aproximadamente diez billones de vatios, 10 teravatios (TW). Los mismos prefijos se añaden a las unidades de energía eléctrica: el voltio (v) es una medida de la diferencial de potencial entre dos puntos de un conductor, y el amperio (A), que mide la intensidad de la potencia eléctrica. La potencia de un sistema eléctrico es el producto de la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente, lo que significa que un vatio es igual a un voltio por un amperio.

En la anterior tabla se relaciona una lista completa de los múltiplos y submúltiplos, algunos de los cuales se usan con mucha menos frecuencia cuando se trata de flujos de energías cotidianos.

Relación energética del Sol y la Tierra

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Mientras en el núcleo del Sol quede suficiente hidrógeno para mantener las reacciones termonucleares, la estrella que nos alumbra inundará la Tierra con radiación solar, que suministra la energía necesaria para mantener la mayoría de los procesos físicos y químicos que se producen en nuestro planeta.

Esta radiación calienta la atmósfera y el océano, genera vientos y lluvias y sostiene el inexorable proceso de la denudación. De todas las conversiones generadas de las energías globales que se producen en la Tierra, las geotectónicas (la lenta modificación del fondo oceánico y de los continentes, acompañada de terremotos y las espectaculares liberaciones energéticas de los volcanes), son las únicas que no proceden de la radiación solar, sino de la gravedad y de la liberación gradual del calor terrestre.

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La luz solar también suministra la energía necesaria para la fotosíntesis, la más importante transformación bioquímica, creando nueva biomasa en bacterias, fitoplancton, plantas superiores y, sobre todo, en bosques y praderas. Esta síntesis es el fundamento de la cadena alimenticia necesaria para el metabolismo heterótrofo de animales y personas, a los cuales la nutrición les permite desarrollar actividades que van desde una simple carrera a trabajos más elaborados, como la ocupación laboral y el ocio.

Así de importante es la luz. Las sociedades humanas, desde los pequeños grupos de cazadores o pastores hasta las sociedades más complejas que dependen de los enormes flujos de combustibles fósiles y electricidad, han estado ineludiblemente ligadas al continuo flujo de energía solar y a los almacenamientos energéticos procedentes de la misma.

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El proceso de formación de carbón a partir de restos vegetales acumulados en zonas acuáticas y sumergidos, de tal manera que estaban aislados de la atmósfera, sufrieron una transformación por efecto de las bacterias anaeróbicas, que aumentan la concentración de carbono de los azúcares y desprenden gases, como metano y anhídrido carbónico. Así se forma una masa gelatinosa de turba. Posteriormente, ésta se hunde y sobre ella se van depositando nuevas capas. Las más inferiores pueden sufrir transformaciones metamórficas debido a la elevada presión y temperatura que soportan, convirtiéndose en grafito. Las condiciones biológicas, climáticas y estructurales más favorables para que tenga lugar esta serie de transformaciones se dieron durante el periodo carbonífero, que en Eurasia y Norteamérica se encontraban situadas en posición tropical y cubiertas de grandes bosques próximos al mar, que se inundaron debido a los movimientos verticales causados por la orogenia hercínica. Los yacimientos de carbón de mayor antigüedad proceden del devónico y los más modernos del cuaternario inferior.

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                                                        Su formación se produce durante millones de años

El proceso de formación del petróleo se origina a partir de acumulaciones de plancton marino que sufre transformaciones, semejantes a la carbonización, por bacterias anaeróbicas, y que dan lugar a una materia denominada sapropel y posteriormente a la mezcla de hidrocarburos típica del petróleo. Esta transformación de hidrocarburos suele tener lugar al mismo tiempo que el proceso de sedimentación de arenas y arcillas que se transformarán en areniscas y margas, y quedarán impregnadas por el petróleo, dando lugar a las rocas madre de éste. Cuando éstas sufren presiones orogénicas o simplemente quedan sometidas a una mayor presión al hundirse los sedimentos, el petróleo migra hasta encontrarse con rocas impermeables que impiden su avance y se acumula en el subsuelo, generando los verdaderos yacimientos petrolíferos.

Los hidrocarburos gaseosos están acumulados en la parte superior de estos yacimientos de petróleo (aceites de roca: del latín petram, “piedra” y oleum, “aceite”), que es un aceite mineral hidrocarbonato, oleaginoso, inflamable, de olor acre, densidad inferior a la del agua y cuyo color varía desde el negro al incoloro. Consta principalmente de hidrocarburos líquidos, en los que se encuentran disueltos hidrocarburos sólidos (asfaltos y betunes) y gaseosos (metano, butano y acetileno); también contiene pequeñas porciones de nitrógeno, azufre, oxígeno, colesterina, porfirinas, vanadio, níquel, cobalto y molibdeno. De todo esto, mediante procesos industriales de refinado, se obtienen los productos de todos conocidos como la gasolina, nafta, queroseno, gasóleo, etc.

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Su combustión es una de las fuentes más importantes de contaminación por los elevados porcentajes de azufre y otras materias que contiene. Sin embargo, por obtener esta fuente de contaminación y “riqueza” se crean conflictos que desembocan en las guerras que azotan nuestro mundo.

Ahora, después de esta breve explicación, sabemos un poco más sobre esta materia prima que ha servido, y continuará aún algún tiempo sirviendo de base a muchas generaciones pasadas y alguna menos futura: civilizaciones del combustible sólido, con su profesión de servicios energéticos, transporte generalizado y exceso de información (no siempre deseable, ya que si elimináramos el 80% de las programaciones televisivas, el mundo sería algo más culto y estaría menos embrutecido).

Un observador extraterrestre no podría encontrar nada extraordinario que le permitiera distinguir el Sol entre las millones de estrellas similares que existen en la nuestra y otras galaxias, y que a su vez representan una fracción de cientos de miles de millones de cuerpos radiantes que las forman. Como se ha dicho otras veces, nuestro Sol pertenece a una clase común de estrella localizada aproximadamente en el centro de la secuencia principal* del esquema de clasificación conocido como de Herzsprung-Russell, denominada enana G2, que posee un característico color amarillo y una magnitud estelar poco importante (+4’83). Así que, después de 4.500 millones de años, el Sol está a la mitad de su vida y va camino de transformarse de enana en gigante roja. Cuando esto ocurra, su luminosidad será mil veces mayor que la actual, y su diámetro, enormemente expandido, alcanzará (probablemente) la Tierra. Durante algún tiempo el planeta girará dentro de una órbita en el interior de la ligera cubierta de la estrella, pero final e inevitablemente caerá describiendo una espiral hasta ser engullida por el núcleo de la gigante roja.

Tendremos dos soles, nuestro Sol y la supernova Betelgeuse: La estrella supergigante roja Betelgeuse esta preparándose para convertirse en Supernova, y cuando lo haga la Tierra podrá ver el proceso en primera fila. La explosión será tan intensa que por un breve período de tiempo nuestro planeta parecerá tener dos soles en el cielo. Betelgeuse esta localizada en la constelación de Orión, a unos 640 años luz de la Tierra y es una de las estrellas más grandes y brillantes en nuestra zona de la galaxia. Muy interesante este abstract, cuya traducción ofrecemos: Es posible que tu navegador no permita visualizar esta imagen.

neutrones en su interior. (Imagen: Jorge Munnshe en NCYT de Amazings)" src="http://noticiasdelaciencia.com/upload/img/periodico/img_20287.jpg" alt="[Img #20287]" width="" height="" />

Mucho antes de que el Sol se transforme en una gigante roja la vida en la Tierra desaparecerá. Según se contraiga el núcleo solar, las reacciones termonucleares calentarán su capa externa; el diámetro de la estrella se expandirá unas diez mil veces y la radiación de la subgigante roja evaporará los océanos y mares de la Tierra generando fortísimos vientos calientes en la convulsa atmósfera del planeta.

Sin embargo, mientras haya hidrógeno en el núcleo de la estrella, los inexorables cambios de su luminosidad serán graduales y el Sol continuará suministrando la energía necesaria, tanto para la vida en la Tierra como para la mayoría de las transformaciones físicas que ocurren en ella.

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Después de ser una gigante roja, el Sol pasará a transformarse en una estrella enana blanca en el centro de una boniota Nebulosa planetaria que, podría tomar cualquier forma de las muchas que tienen esa gama de nebulosas de fantástica belleza.

Las primeras explicaciones científicas de la radiación solar, cálculo basado en la gravitación de Hermann Helmholtz, conducen a una estimación de la vida de la estrella de unos treinta millones de años. La famosa ecuación de Einstein relacionando la materia y la energía abrió el camino hacia un modelo más preciso que, por sí sólo, tampoco nos ofrece una solución completamente satisfactoria. Por otra parte, no parece probable que la transformación total de materia solar, convirtiendo los núcleos atómicos y los electrones en radiación (según teorizaba Sir Arthur Eddington), pueda producirse ni siquiera a temperaturas superiores a los diez mil millones de grados Kelvin (K). La idea hoy aceptada de que la producción de la energía en el núcleo del Sol obedece a reacciones nucleares fue propuesta a finales de los años treinta por Hans Bethe, Charles Critchfield y Carl Friedrich von Weizsäcker.

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La fusión de hidrógeno en helio, en el ciclo protón-protón, se inicia cuando la temperatura alcanza los trece millones de grados Kelvin. Justo por encima de los 16 millones Kelvin empieza a dominar el ciclo carbono-nitrógeno que genera C12. No podemos estar seguros, pero de acuerdo con los mejores modelos, el ciclo C-N genera solamente un 1’5% de la energía total del Sol.

emilio silvera

Hablemos de cuerpos

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Me referiré en primer lugar a los que constituyen nuestro entorno ordinario, que sería todo el entorno que abarca nuestro planeta. En segundo lugar considerare los demás cuerpos y objetos del Universo. El análisis de muestras de esos diversos cuerpos ha puesto de manifiesto que, en función de la composición, los cuerpos pueden ser simples y compuestos. Los primeros son, precisamente, los llamados elementos químicos, a las que el insigne Lavoisier (conocido como padre de la Química), consideró como el último término a que se llega mediante la aplicación del análisis químico.

Hoy sabemos que son colectividades de átomos isotópicos.

La mayoría de ellos son sólidos y se encuentran en la Naturaleza (nuestro entorno terráqueo) en estado libre o en combinación química con otros elementos, formando los diversos minerales.

La ordenación de los iones en las redes se manifiesta externamente en multitud de formas y colores. No obstante, debo señalar que, aun siendo abundante esta variedad, no es tan rica como la que corresponde a los cuerpos vivos, tanto animales como vegetales. La explicación se basa en que el número de especimenes moleculares y su complejidad son mucho mayores que en el reino inorgánico.

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La Fusión Nuclear ¿Será la energía futura?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Energía = Materia    ~    Comentarios Comments (0)

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Fusión de deuterio con tritio, por la cual se producen helio 4, se liberan un neutron  y se generan 17,59 MeV de energía, como cantidad de masa apropiada convertida de la energía cinética de los productos, según la fórmula E = Δm c2. En realidad, lo que estamos intentando hacer, es copiar lo que hace el Sol y todas las estrellas del Universo.

El mundo, como el Universo mismo, funciona porque la energía está presente y hace posible los cambios y transiciones de fase que se producen en las cosas, en los planetas y en las estrellas que, con el paso del tiempo van cambiando al mismo tiempo que consumen energía. Así las cosas, tenemos que convenir que la energía, es muy necesaria para todo y también, para el progreso y continuidad de nuestras modernas sociedades.

Una de las posibles energías que se investigan y se está tratando de dominar es la llamada energía de fusión que consiste, en hacer lo mismo que hacen las estrellas del cielo “fusionar materiales ligeros en otros más pesados produciendo, en el proceso, mucha energía”.

El sueño de los científicos está centrado en conseguir esa clase de energía -que tiene muchos inconvenientes a la hora de plasmarla en realidad-, de una manera que posibilite ser generada en condiciones ambientales normales consiguiendo la reacción precisa pero, las estrellas necesitan hacerlo con plasma a más de quince millones de grados.

Claro que calentar en la Tierra combustible a tan altísimas temperaturas, del orden de 160 millones de grados (equivalente a una energía por partícula de 15 keV) en el caso de la reacción más accesible, que es la que se realiza con Deuterio y Tritio para dar lugar a un Neutrón más un núcleo de Helio o partícula Alfa:

D + T → He (3,5 MeV) + n (14,1 Mev)

Una central eléctrica de fusion utilizaría como materias primas deuterio, un isótopo que supone el 0,03% del hidrógeno terrestre, y tritio, otro isótopo del hidrógeno que no existe en la Naturaleza pero que se puede obtener de otro elemento muy abundante y distribuido por todo el planeta, el litio, siguiendo la reacción:

N + Li → T + He

En la que se utilizan los propios neutrones de 14,1 MeV generados en la fusión.

Las reservas de Deuterio en el agua de la corteza terrestre y las de Litio, en minas de Sal o en las propias sales disueltas en el agua del Mar, permitirían alimentar a la Humanidad de energía de fusión durante millones de años. Por otro lado, la emisión del reactor al exterior se compone básicamente de helio, un gas que es inocuo para las personas y el medio ambiente y que ni siquiera se acumula en la atmósfera sino que se escapa al espacio gradualmente, pero además, tiene aplicaciones industriales.

Así que, como aquel que dice, de un plumazo, habríamos solucionado el problema de la contaminación y, los residuos, no sólo no serían nocivos como ocurre con los que producen las Centrales Nucleares, sino que, por el contrario, se podrían aprovechar.

Claro que las cosas nunca han resultado fáciles, y, todos los logros der la Humanidad han sido largos y a veces hasta penosos. Para conseguir la fusión de núcleos de Deuterio y Tritio de forma energéticamente rentable sería necesario, calentar el combustible a temperaturas de centenares de millones de grados. A estas temperaturas el combustible se encuentra en estado de Plasma, es decir, un gas de iones y electrones libres con carga eléctrica neta cero y con un comportamiento colectivo. La física de este plasma y la manera de confinarlo sin barreras materiales, inviables a tales temperaturas, es el objetivo principal de la investigación en el campo de la fusión.

¿Cómo se está procediendo para conseguir tal maravilla?

El esfuerzo está encaminado, en su mayor parte, en la búsqueda de un Campo magnético capaz de mantener confinado el Plasma. Las partículas cargadas en el seno de un campo magnético describen trayectorias helicoidales cuyos ejes son aproximadamente las líneas de campo. A las temperaturas y campos magnéticos típicos, de decenas de keV y varios Tesla,el radio de giro de la hélice, denominado radio Larmor, es del orden de una décima de milímetro para los electrones y varios milímetros para los iones de deuterio y tritio. De esta forma iones y electrones quedan virtualmente atrapados, pudiendo desplazarse sólo a lo largo de las líneas del campo. Si cerramos las líneas del campo sobre sí mismas utilizando una geometría toroidal, podemos mantener confinado el plasma.

Al día de hoy existen dos grandes familias de dispositivos de confinamiento magnético con geometría toroidal, conocidos como Tokamak y Stellarator. Los dos conceptos son dos formas diferentes de resolver un problema intrínseco de la configuración magnética toroidal: la generación del campo magnético confinante, lo cual, no resulta nada fácil.

No vamos explicar aquí y ahora los resultados de estos dos sistemas y los beneficios alcanzados por los mismos, sería muy técnico y largo de explicar.

El tiempo ha ido pasando y, desde aquellos primeros momentos y pruebas, se ha ido aprendiendo y mejorando las técnicas hasta llegar al Proyecto ITER que ha mejorado todo lo anterior en prácticamente cinco órdenes de magnitud. Se ha mejorado el confinamiento mediante la construcción de experimentos de mayor tamaño y eficiencia, se han desarrollado métodos para calentar el Plasma hasta las temperaturas de decenas de keV, se han desarrollado sofisticados sistemas para el control de la corriente del Plasma e incluso se han realizado los primeros experimentos de generación de neutrones y partículas Alfa que tuvieron lugar por primera en 1991 en el JET, el mayor tokamak del mundo con 100 m³ de Plasma.

En 1994 el Tokamak TFTR de Princeton (EE UU) alcanzó potencias de fusión de 11 MW, y JET de nuevo en 1997, alcanzó los 16 MW pero todavía lejos de obtener una ganancia energética neta, ya que para poder hacerlo hicieron falta 24 MW, más de lo que se logró generar.

El objetivo está centrado en obtener en el ITER diez veces más de energía que la necesaria para mantener el Plasma, o en otros términos mantener un factor de amplificación de Q = 10. ITER será todavía un experimento y no será un Generador de electricidad hasta que no consiga este objetivo propuesto.

Aquí, en todo este “mundillo” de la fusión nuclear, el campo tecnológico implicado es alucinante y obliga, para conseguir los objetivos, a unos avances en el campo de fuerza magnética que, a muchos, está dejando con la boca abierta por el asombro. Sin embargo, falta mucho para conseguir lo propuesto.

Aquí, el problema fundamental que se presenta es el de los materiales que son necesarios para el Reactor, no sirven los materiales que tenemos y, sin más remedio, habrá que investigar para conseguir materiales más eficientes y que puedan, soportar, lo que en ese trabajo se les requiere.

Los dos desafíos fundamentales son:

a)   El problema de la interacción Plasma-pared. Aunque el campo magnético confina el campo de alta temperatura, inevitablemente la difusión hace que las partículas acaben alcanzando la pared, dando lugar a cargas térmicas que pueden alcanzar los 10 MW/m² y causando una importante erosión a los materiales de la misma. Para paliar este problema, se está trabajando en dos frentes que, posiblemente, puedan solucionarlo.

b)   Materiales resistentes a neutrones. Las reacciones de fusión nuclear generan neutrones de 14 MeV de energía que producen daños en el material estructural del Reactor, así como burbujas de Hidrógeno y Helio que empeoran las propiedades del mismo. Y, otra reacción que producen esos neutrones es que, materiales estables se convierten en radiactivos, dando lugar a residuos indeseables aunque de media y baja actividad y no tan malos como los del Uranio, sí deben ser custodiados adecuadamente.

El ITER estará equipado con unos pequeños módulos de prueba para la regeneración de tritio a partir de compuestos de litio, pero no contará con un sistema completo capaz de producir todo el tritio que consuma. Estos sistemas son absolutamente necesarios en un Reactor Productor de electricidad y suponen un formidable desafío tecnológico ya que han de cumplir con la triple función de regenerar el tritio, extraer las energías que transportan los neutrones y servir de blindaje para que no lleguen neutrones a las bobinas superconductoras y otros componentes sensibles.

Al día de hoy son varios los programas en desarrollo que andan a la búsqueda de la Fusión Nuclear, unos están financiado por varios países, otros por países individuales y, alguno, son de iniciativa particular de Empresas.

Seguramente, dentro de 40 años, cuando miremos hacia el pasado de la Fusión Nuclear, nos parecerán rudimentarios estos proyectos que hoy, son de la más alta tecnología que tenemos pero, en la ciencia, siempre será así.

Publica: emilio silvera

Fuente: Revista de Física Volumen 27, número 2 de 2.013

Autores: F. Castejón, C. Hidalgo y J. Sánchez