La transformación de la energía

Lo que no hemos analizado es cómo diferentes formas de energía son reversibles: el movimiento puede transformarse en calor, el calor en electricidad, y viceversa. Hoy trataremos de explicar esos procesos.

—Energía —

En física, energía es la propiedad que debe tener un objeto para poder hacer un trabajo. Este puede consistir en mover una masa, calentar, iluminar o cambiar sus características físicas o químicas.

Hay dos formas básicas de energía: cinética (de movimiento) y potencial (en reposo o acumulada). La primera ley de conservación de energía, propuesta por Nicolás Sadi Carnot en 1824, indica que la energía no es creada ni destruida, solo se transforma de una forma a otra y de un tipo a otro. Hay cinco formas de energía usadas normalmente: mecánica, térmica, eléctrica, química y radiante.

La energía mecánica es el agua que cae de una catarata o la rueda del molino que gira; la térmica es la llama de una hoguera o el calor de un géiser; la eléctrica es aquella que mueve el tranvía, la licuadora, las máquinas de fabricación textil, y la que produce la luz del alumbrado público.

La energía química se encuentra contenida en los enlaces de átomos y moléculas. Por ejemplo, los motores de combustión transforman la energía química del petróleo en energía térmica (en forma de pequeñas explosiones). También puede generar energía eléctrica y radiante (luz). Esta última produce energía térmica, como lo hacen los rayos infrarrojos del Sol, y química, como cuando la fotosíntesis usa luz para recombinar átomos.

—Movimiento, calor y corriente—

El calor, el movimiento y la electricidad son tres tipos de energía que pueden transformarse en forma recíproca: si la energía A se transforma en B, la energía B se puede transformar en A. Un ejemplo de eso es el motor de un carro: la energía térmica de la combustión mueve el motor (mecánica), y este puede mover una dínamo que genera electricidad para luz y batería.

Recíprocamente, un motor convierte energía mecánica en térmica si mueve un compresor que levanta la presión de un gas en un envase rígido, y es que al subir la presión sin aumentar volumen, sube la temperatura del gas. Transformamos energía eléctrica en mecánica pasando corriente por un motor que gira un eje y mueve, por ejemplo, las ruedas de un auto eléctrico.

—Radiación, calor, química —

Hemos visto que la fusión de átomos en el Sol transforma energía química a radiante, incluyendo rayos infrarrojos, que calientan al contacto, generando energía térmica. La llama de una fogata es energía térmica que produce luz y rayos infrarrojos, un proceso inverso.

La radiación luminosa también produce energía química, como en la fotosíntesis, que es la base de la vida en la Tierra. Este es un proceso complicado que primero almacena energía en dos compuestos químicos, los cuales en varias reacciones transforman la energía química de los enlaces de átomos de CO2 y agua (H2O) en oxígeno y carbohidratos.

El proceso inverso es la luciérnaga, que produce destellos al transformar energía química de ciertas moléculas en energía radiante. A esto se le conoce como bioluminiscencia.

Un ejemplo de energía radiante que convierte energía química en térmica es una luna de aumento sobre papel un día soleado: la lupa concentra energía radiante del Sol sobre el papel, agitando sus moléculas a tal punto que se rompen sus enlaces, y estas se combinan con oxígeno (combustión); el papel se quema, convirtiendo energía química en térmica.

—Energía electroquímica —

Como dijimos, la transformación de un tipo de energía a otra puede ser reversible. La energía eléctrica puede convertirse en química, y la química en eléctrica, una transformación de gran utilidad que ha dado lugar a una rama de la física llamada electroquímica.

El mejor ejemplo de la aplicación de la electroquímica es un artefacto que funciona en los dos sentidos: la batería. La pila, que producía corriente eléctrica y fue la precursora de la batería moderna, fue inventada en 1799 por Alessandro Volta. La pila era una columna de láminas de zinc y cobre, separadas por un electrolito (conductor de electricidad), en este caso un cartón mojado en agua con sal. Si bien Volta no comprendió correctamente el proceso generador de electricidad, lo que ocurría era la oxidación del zinc, que liberaba electrones de los átomos de zinc, transformando energía química en eléctrica.

La primera batería de plomo y ácido sulfúrico fue inventada en 1859 por el físico francés Gastón Planté. La placa negativa era de plomo puro y la positiva de dióxido de plomo. El electrolito entre estas era una solución de ácido sulfúrico en agua, que concentraba y transfería la mayor parte de la energía química. Durante la descarga de la placa negativa, los iones pasaban a la solución de electrolito y de ahí a la placa positiva. Lo inverso ocurre durante la carga.

La batería de iones de litio, la más popular hoy, opera con un principio similar de descarga y recarga, y usa un electrolito sólido, no líquido. Estas baterías tienen normalmente litio en el electrodo positivo y grafito en el negativo, y son de mayor densidad, lo que permite obtener baterías muy compactas. Esto ha hecho posible instalarlas incluso en un avión con motor eléctrico. Sin embargo, en toda batería hay un nivel de pérdida de las sustancias que generan las reacciones y por esto las baterías eventualmente se agotan, y hay que reemplazarlas.

Aunque estamos tomando conciencia del costo ambiental de producir y transformar energía, no hay duda de que se han logrado avances enormes gracias al aprovechamiento de la energía mecánica, térmica, eléctrica, química y radiante. La diferencia entre países que tienen fuentes de energía confiable y los que carecen de ella es la diferencia entre el primer y tercer mundo. El mayor logro para la humanidad será aprovechar plenamente las fuentes de energía limpia.

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