Energía
El movimiento de los
constituyentes de la materia, los cambios químicos y físicos y la formación de
nuevas sustancias se originan gracias a cambios en la energía del sistema;
conceptualmente, la energía es la capacidad para realizar un trabajo o transferir
calor; la energía a su vez se presenta como energía calórica, energía mecánica,
energía química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía
pueden ser además potencial o cinética. La energía potencial es
la que posee una sustancia debido a su posición espacial o composición química
y la energía cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento.
Tipos de energía
Manifestaciones de la energía
Energía Mecánica: El movimiento de las hélices del molino de viento es
transferido a un sistema mecánico de piñones, para producir energía eléctrica
o lograr la ascensión de agua de un pozo subterráneo
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Energía Calórica o radiante: El calor o la luz emitida desde el sol
es aprovechada por las plantas para producir energía química en forma de
carbohidratos.
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Energía Eléctrica: El movimiento de electrones libres, produce la
energía eléctrica, usada para hacer funcionar electrodomésticos, trenes, y
artefactos industriales.
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Energía Química: La combustión de hidrocarburos como el petróleo, liberan gran cantidad
de energía.
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Formas de medición de la
energía
Poseer un referente de
la cantidad de energía que se intercambia en las diferentes interacciones de la
materia requiere de patrones de medición. Como la forma de energía que tiene
mayor expresión es la energía calórica, entendida ésta como la energía que se
intercambia entre dos sustancias cuando existe diferencias de temperatura entre
ambas, trataremos las unidades de medida de esta.
La cantidad de energía
cedida o ganada por una sustancia se mide en calorías o joules.
Una caloría (cal)
es igual a la cantidad de calor necesario para elevar de 14,5o C a
15,5o C 1 gramo de agua. Como factor de conversión diremos que una
caloría equivale a 4,184 joules.
1 cal = 4,184 J
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Es necesario diferenciar
la caloría utilizada como herramienta de medición de la energía calórica en
química, de la caloría utilizada en nutrición, ya que la caloría contenida en
los alimentos (Cal) o gran caloría, equivale a 1.000 calorías o 1 Kilocaloría
(Kcal).
2 cubos de azúcar ( 10 g), contienen 37,5 Cal nutricionales, lo que
equivale a 37,5 Kcal, 37.500 cal químicas y 156.900 j.
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Calor especifico
¿Has sentido que unas
sustancias se calientan con mayor rapidez que otras?, el calor especifico se
relaciona con ello; conceptualmente, el calor específico es la cantidad
de calor necesario para elevar la temperatura de una sustancia determinada;
desde el punto de vista químico, es la cantidad de calorías requeridas para
elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de una sustancia, o es
el número de joules requeridos para elevar en un grado kelvin la temperatura de
un kg de una sustancia.
Calor Específico del agua: 1 cal/g o C
Este valor significa que para elevar 1 grado centígrado la temperatura de
1 g de agua, se requiere 1 caloría.
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Calor Especifico del Aluminio: 0,217 cal/g o C
Este valor significa que para elevar 1 grado centígrado la temperatura de
1 g de Aluminio se requieren 0,217 calorías.
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Valores comparativos del
calor especifico del agua en estado líquido y el aluminio en estado sólido.
Ley de la conservación
de Masa-Energía
Para concluir esta parte
temática, abordemos una pregunta: en el momento de ocurrir un cambio físico o
químico (reacción química) en una sustancia, ¿existe perdida de masa y/o
energía?
Antoine Laurent Lavoiser
(743-1749) y James Prescott Joule (1818-1889), dedicaron parte de su trabajo
científico en la solución de este problema, llegando a la conclusión de que en
las reacciones químicas y en los cambios físicos las masas de las sustancias
participantes no se crean ni destruyen, solo se transforman; esta conclusión se
conoce con el nombre de Ley de la conservación de la masa.
En este ejemplo de reacción química, 4.032 g de Hidrógeno gaseoso,
reaccionan con 141.812 g de cloro gaseoso, para formar 145.844 g de ácido
clorhídrico.
La suma de los reactivos es igual a la suma de los productos.
La masa de los reactivos no se destruyó, estos se combinaron y se
transformaron en una nueva sustancia.
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Ejemplo de la ley de la conservación de la materia: formación del ácido
clorhídrico, mediante la reacción del Hidrógeno con el Cloro.
Energía es vida
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Sol
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Todo lo que vemos a
nuestro alrededor se mueve o funciona debido a algún tipo o fuente de energía,
lo cual nos demuestra que la energía hace que las cosas sucedan.
Si es de día, el Sol nos
entrega energía en forma de luz y de calor. Si es de noche, los focos usan
energía eléctrica para iluminar. Si ves pasar un auto, piensa que se mueve
gracias a la gasolina, un tipo de energía almacenada. Nuestros cuerpos comen
alimentos, que tienen energía almacenada. Usamos esa energía para jugar,
estudiar... para vivir.
Desde una perspectiva
científica, podemos entender la vida como una compleja serie de transacciones
energéticas, en las cuales la energía es transformada de una forma a otra, o
transferida de un objeto hacia otro.
Pensemos, por ejemplo,
en un duraznero. El árbol absorbe luz —energía— de la radiación solar,
convirtiendo la energía luminosa en energía potencial química almacenada en
enlaces químicos. Luego utiliza esta energía para producir hojas, ramas y
frutos. Cuando un durazno, "lleno" de energía potencial química, se
cae del árbol al suelo, su energía de posición (almacenada como energía
potencial gravitacional) se transforma en energía cinética, la energía del
movimiento, a medida que cae. Cuando el durazno golpea el suelo, la energía
cinética se transforma en calor (energía calórica) y sonido (energía acústica).
Cuando alguien se come el durazno, ese organismo transforma su energía química
almacenada en el movimiento de unos músculos (entre otras cosas)...
Con las máquinas y las
fuentes energéticas sucede lo mismo. El motor de un auto, por ejemplo,
transforma la gasolina (que contiene energía química almacenada hace mucho
tiempo por seres vivos) en calor. Luego transforma ese calor en, por ejemplo,
energía cinética.
¿Qué tienen en común
todos los ejemplos que hemos dado? Dos cosas: la transformación (de una
energía en otra) y la transferencia (la energía pasa de un objeto hacia
otro).
El principio crucial y
subyacente en estas series de transformaciones de energía (y en todas las
transacciones energéticas) es que la energía puede cambiar su forma, pero no
puede surgir de la nada o desaparecer. Si sumamos toda la energía que
existe después de una transformación energética, siempre terminaremos con la
misma cantidad de energía con la que comenzamos, pese a que la forma puede
haber cambiado.
Este principio es una de
las piedras angulares de la física, y nos permite relacionar muchos y muy
diversos fenómenos. ¿En qué se parecen una pelota de fútbol impulsada por una
patada, a la llama de una vela? ¿Cómo podemos comparar cualquiera de ellos con
un balón de gas, o con el sándwich que te comiste al almuerzo? La energía
cinética de la pelota, la energía calórica de la llama, la energía potencial
química del gas y el sándwich pueden medirse y ser todas transformadas y
expresadas en trabajo, en "hacer que algo suceda". Este es un paso
hacia el entendimiento y la comprensión de la unidad esencial de la Naturaleza.
Fuentes energéticas
En la naturaleza existen
diversas fuentes de energía; esto es, elementos o medios capaces de producir
algún tipo de energía.
Como fuentes, capaces de
producir algún tipo de energía, tenemos algunas que se presentan como agotables
o no renovables: el carbón, el petróleo, el gas natural, la fuerza interna de
la tierra (fuente geotérmica de energía), los núcleos atómicos (fuente nuclear
de energía).
Hay otras fuentes
capaces de producir energía y que se presentan como inagotables o renovables:
ríos y olas (fuente hidráulica de energía, Ver Energía
hidráulica), el sol (fuente solar de energía, Ver Energía
solar), el viento (fuente eólica de energía, Ver Energía
eólica.), las mareas (fuente mareomotriz de energía, Ver Energía del
mar), la biomasa (fuente orgánica de energía).
Cualquiera de estas
fuentes es capaz de producir alguno de los diferentes tipos o formas de energía
que se conocen.
Tipos o formas de
energía
4.- Energía radiante o
lumínica
6.- Energía nuclear.
7.- Energía magnética
8.- Energía metabólica.
Si intentamos una
definición de energía, y concordamos en que energía es todo aquello que
puede hacer cambiar las propiedades de la materia, en un continuo de
transformaciones, entenderemos por qué se llama energía tanto a las fuentes
como a los tipos de ella.
Así, se habla comúnmente
de energía hidráulica o hidroeléctrica para referirse a la energía eléctrica
que proviene de una fuente hídrica (ríos, embalses y, eventualmente, olas), que
son tales debido a la energía mecánica almacenada en las aguas, las
cuales al moverse o caer transforman su propia energía
potencial en energía
cinética.
La energía
mecánica es la empleada para hacer mover a otro cuerpo. Ésta se divide a su vez en
dos energías: la energía
potencial (es la que poseen los cuerpos debido a la posición en que se encuentran,
es decir un cuerpo en altura tiene más energía potencial que un cuerpo en la
superficie del suelo) y energía
cinética (es la que poseen los cuerpos debido a su velocidad).
Un tipo de energía
potencial muy conocido es el de la energía
potencial hidráulica que es la que se obtiene de la caída del agua desde
cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de ruedas
hidráulicas o turbinas. En esta categoría podría incluirse también la energía
del mar, que se puede obtener del movimiento de sus aguas, ya sea como olas o
como mareas. (Ver Energía del
mar.) (Ver: Energía
eólica)
Energía calórica.
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Energía
calórica o térmica: es la que se trasmite entre dos cuerpos que se encuentran a diferente
temperatura. El calor es la vibración de moléculas de un cuerpo. La vibración
es movimiento. Unos de los fines para que se utiliza la energía calórica es
para causar movimiento de diversas máquinas.
El calor es energía en tránsito,
que se hace evidente cuando un cuerpo cede calor a otro para igualar las
temperaturas de ambos. En este sentido, los cuerpos ceden o ganan calor, pero
no lo poseen.
Todo el calor proviene
directa o indirectamente del sol.
Cuando se aprovecha
directamente este calor a través de ingeniosos aparatos que lo almacenan y
transforman en algún tipo de trabajo, se habla de energía solar. (Ver Energía
solar)
Los procesos físicos por
los que se produce la transferencia
de calor son la
conducción, la radiación y la convección. La conducción requiere contacto físico
entre los cuerpos —o las partes de un cuerpo— que intercambian calor, pero en
la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya
materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un
líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente. (Ver,
además, Energía
geotérmica)
La energía
química es la que generan los alimentos y los combustibles, o, más exactamente, la
contenida en las moléculas químicas y que se desarrolla en una reacción
química. Conocemos el resultado del alimento en nuestro cuerpo: desarrollamos
energía para realizar diferentes trabajos. La energía procedente del carbón, de
la madera, del petróleo y del gas en combustión, hace funcionar motores y
proporciona calefacción.
La energía radiante o
lumínica es aquella que más frecuentemente vemos en forma de luz y que nos
permite ver las cosas alrededor de nosotros. Se propaga en todas las
direcciones, se puede reflejar en objetos y puede pasar de un material a otro.
La luz proviene de los
cuerpos llamados fuentes o emisores. Llena el Universo, emitida por el Sol y
por todas las estrellas que son fuentes luminosas naturales (igual como lo son
el fuego y algunos insectos como las luciérnagas). Sobre la Tierra, las plantas
verdes se mantienen vivas gracias a la energía radiante del Sol, e incluso la
vida de los animales —entre ellos el hombre— depende de esta energía. Además de
la luz, las ondas de radio, los rayos X, los rayos ultravioleta, son formas de
energía radiante invisibles, utilizadas por el hombre.
Existen también fuentes
luminosas artificiales (las ampolletas, los tubos fluorescentes y las
linternas).
El hombre ha ideado
diferentes formas para utilizar la energía luminosa que proviene del sol.
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
eléctrica (o electricidad): es la que se produce por el movimiento de
electrones a través de un conductor. Se divide a su vez en energía magnética
(energía de los imanes), estática y corriente eléctrica.
La electricidad es una
forma de energía que se puede trasmitir 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 trasmitir 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.
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).
La energía nuclear o
atómica es la que procede del núcleo del átomo, la más poderosa conocida
hasta el momento. Se le llama también energía atómica, aunque este término en
la actualidad es considerado incorrecto. Esta energía se obtiene de la
transformación de la masa de los átomos de uranio, o de otros metales pesados.
Aunque la energía
nuclear es la descubierta más recientemente por el hombre, en realidad es la
más antigua: la luz del Sol y demás estrellas, proviene de la energía nuclear
desarrollada al convertirse el hidrógeno en helio.
Energía magnética: es aquella que está en
los imanes y se produce porque los imanes están cargados con cargas de
electrones, generalmente positivas. Esto hace que si uno acerca algún cuerpo de
metal que sea dador de electrones al imán, el primero seda el electrón y quede
cargado con una carga opuesta al imán lo que implica la atracción de los
cuerpos.
Hoy se conoce la
naturaleza del magnetismo y es posible fabricar potentes imanes de distintos
tamaños utilizando el acero. Los mejores están hechos de aleaciones de acero
especialmente ideadas para mantener las propiedades magnéticas.
Energía metabólica: es aquella generada
por los organismos vivos gracias a procesos químicos de oxidación como producto
de los alimentos que ingieren.
Energía mecánica y trabajo
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La fuerza del viento (energía cinética) convertida
en energía mecánica.
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La energía es una
propiedad que se relaciona con los cambios o procesos de transformación en la naturaleza.
Sin energía ningún proceso físico, químico o biológico sería posible.
La forma de energía
asociada a las transformaciones de tipo mecánico se denomina energía
mecánica y su transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo.
Ambos conceptos permiten estudiar el movimiento de los cuerpos de forma más
sencilla que usando términos de fuerza y constituyen, por ello, elementos clave
en la descripción de los sistemas físicos.
El estudio del
movimiento atendiendo a las causas que lo originan lo efectúa la dinámica como teoría física
relacionando las fuerzas con las características del movimiento, tales como posición
y velocidad.
Es posible, no obstante,
describir la condición de un cuerpo en movimiento introduciendo una nueva
magnitud, la energía mecánica, e interpretar sus variaciones mediante el
concepto de trabajo físico. Ambos conceptos surgieron históricamente en una
etapa avanzada del desarrollo de la dinámica y permiten enfocar su estudio de
una forma por lo general más simple.
En el lenguaje ordinario
energía es sinónimo de fuerza; en el lenguaje científico, aunque están
relacionados entre sí, ambos términos hacen referencia a conceptos diferentes.
Algo semejante sucede con el concepto de trabajo, que en el lenguaje científico
tiene un significado mucho más preciso que en el lenguaje corriente.
Centrales para
transformar energía.
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El movimiento, el
equilibrio y sus relaciones con las fuerzas y con la energía, define un amplio
campo de estudio que se conoce con el nombre de mecánica.
La mecánica engloba
la cinemática o descripción del movimiento, la estática o estudio
del equilibrio y la dinámica o explicación del movimiento. El
enfoque en términos de trabajo y energía viene a cerrar, pues, una visión de
conjunto de la mecánica como parte fundamental de la física.
La energía
El término energía es probablemente una de las palabras propias de la física que más se nombra
en las sociedades industrializadas. La crisis de la energía, el costo de la
energía, el aprovechamiento de la energía, son expresiones presentes
habitualmente en los diferentes medios de comunicación social. ¿Pero qué es la
energía?
¿Qué es la energía?
La noción de energía se
introduce en la física para facilitar el estudio de los sistemas materiales. La
naturaleza es esencialmente dinámica; es decir, está sujeta a cambios: cambios
de posición, cambios de velocidad, cambios de composición o cambios de estado
físico, por ejemplo. Pues bien, existe algo que subyace a los cambios
materiales y que indefectiblemente los acompaña; ese algo constituye lo que se
entiende por energía.
El minúsculo átomo: enorme fuente energética
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La energía es una
propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual
éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar
sobre otros originando en ellos procesos de transformación. Sin energía, ningún
proceso físico, químico o biológico sería posible. Dicho en otros términos,
todos los cambios materiales están asociados con una cierta cantidad de energía
que se pone en juego, se cede o se recibe.
Las sociedades
industrializadas que se caracterizan precisamente por su intensa actividad
transformadora de los productos naturales, de las materias primas y de sus
derivados, requieren para ello grandes cantidades de energía, por lo que su
costo y su disponibilidad constituyen cuestiones esenciales.
Transformación y
conservación de la energía
La energía se puede
presentar en formas diferentes; es decir, puede estar asociada a cambios
materiales de diferente naturaleza. Así, se habla de energía químicacuando
la transformación afecta a la composición de las sustancias, de energía
térmicacuando la transformación está asociada a fenómenos caloríficos, de
energía nuclearcuando los cambios afectan a la composición de los núcleos
atómicos, de energía luminosa cuando se trata de procesos en los que
interviene la luz, etc.
Los cambios que sufren
los sistemas materiales llevan asociados, precisamente, transformaciones de una
forma de energía en otra. Pero en todas ellas la energía se conserva; es decir,
ni se crea ni se destruye en el proceso de transformación. Esta segunda característica
de la energía constituye un principio físico muy general fundado en los
resultados de la observación y la experimentación científica, que se conoce
como principio de conservación de la energía.
La energía solo se
transforma.
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Otro modo de
interpretarlo es el siguiente: si un sistema físico está aislado de modo que no
cede energía ni la toma del exterior, la suma de todas las cantidades
correspondientes a sus distintas formas de energía permanece constante. Dentro
del sistema pueden darse procesos de transformación, pero siempre la energía
ganada por una parte del sistema será cedida por otra. Esto es lo que sucede en
el universo, que en su conjunto puede ser considerado como un sistema aislado.
La degradación de la
energía
La experiencia demuestra
que conforme la energía va siendo utilizada para promover cambios en la materia
va perdiendo capacidad para ser empleada nuevamente. El principio de la
conservación de la energía hace referencia a la cantidad, pero no a la calidad
de la energía, la cual está relacionada con la posibilidad de ser utilizada.
Así, una cantidad de energía concentrada en un sistema material es de mayor
calidad que otra igual en magnitud, pero que se halle dispersa.
Aun cuando la cantidad
de energía se conserva en un proceso de transformación, su calidad disminuye.
Toda transformación acaba en energía térmica.
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Todas las
transformaciones energéticas asociadas a cambios materiales, acaban antes o
después en energía térmica; ésta es una forma de energía muy repartida entre
los distintos componentes de la materia, por lo que su grado de aprovechamiento
es peor.
Este proceso de pérdida
progresiva de calidad se conoce como degradación de la energía y
constituye otra de las características de esta magnitud o atributo que han
identificado los físicos para facilitar el estudio de los sistemas materiales y
de sus transformaciones.
La energía mecánica
De todas las
transformaciones o cambios que sufre la materia, los que interesan a la
mecánica son los asociados a la posición y/o a la velocidad. Ambas magnitudes
definen, en el marco de la dinámica de Newton, el estado mecánicode un
cuerpo, de modo que éste puede cambiar porque cambie su posición o porque
cambie su velocidad. La forma de energía asociada a los cambios en el estado
mecánico de un cuerpo o de una partícula material recibe el nombre de energía
mecánica.
Antes de salir
expelida, la flecha tiene energía potencial, luego será energía cinética.
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De acuerdo con su
definición, la energía mecánica puede presentarse bajo dos formas diferentes
según esté asociada a los cambios de posición o a los cambios de velocidad. La
forma de energía asociada a los cambios de posición recibe el nombre de energía
potencial.
La energía potencial es,
por tanto, la energía que posee un cuerpo o sistema en virtud de su posición o
de su configuración (conjunto de posiciones). Así, el estado mecánico de una
piedra que se eleva a una altura dada no es el mismo que el que tenía a nivel
del suelo: ha cambiado su posición.
En un resorte que es
tensado, las distancias relativas entre sus espiras aumentan. Su configuración
ha cambiado por efecto del estiramiento.
En uno y otro caso el
cuerpo adquiere en el estado final una nueva condición que antes no poseía: si
se les deja en libertad, la piedra es capaz de romper un vidrio al chocar
contra el suelo y el resorte (o muelle) puede poner en movimiento una bola
inicialmente en reposo.
En su nuevo estado ambos
cuerpos disponen de una capacidad para producir cambios en otros. Han adquirido
en el proceso correspondiente una cierta cantidad de energía que puede ser
liberada tan pronto como se den las condiciones adecuadas.
El trabajo que realiza el motor desplaza la nave.
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La forma de energía
asociada a los cambios de velocidad recibe el nombre de energía cinética.
Un cuerpo en movimiento es capaz de producir movimiento; esto es, de cambiar la
velocidad de otros. La energía cinética es, por tanto, la energía mecánica que
posee un cuerpo en virtud de su movimiento o velocidad.
La noción de trabajo
En el lenguaje
cotidiano, la palabra “trabajo” se asocia a todo aquello que suponga un
esfuerzo físico o mental, y que por tanto produce cansancio. En física se
produce trabajo sólo si existe una fuerza que al actuar sobre un cuerpo da
lugar a su desplazamiento.
A modo de recapitulación
La energía mecánica es
aquella forma de energía que poseen los cuerpos capaces de producir
movimiento en otros cuerpos.
La energía mecánica
involucra dos tipos de energía, según el estado o condición en que se
encuentre el cuerpo.
Energía en movimiento:
trabajo mecánico.
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Estas formas de energía
son:
Energía
potencial: es la energía que tienen los cuerpos que están en reposo y depende de la
posición del cuerpo en el espacio: a mayor altura, mayor será su energía
potencial. Por ejemplo, una roca que está en la punta de un cerro posee energía
potencial.
También poseen esta
forma de energía un macetero que está en el balcón de un edificio, un cuadro
colgado en la pared, etcétera.
Energía
cinética: es la que posee todo cuerpo en movimiento. Por ejemplo, cuando se lanza
una pelota, esta adquiere energía cinética. También poseen esta forma de
energía una persona cuando corre, una cascada, un automóvil en marcha,
etcétera.
Relación
Existe relación entre la
energía cinética y potencial, ya que cuando un cuerpo está en
reposo, su energía cinética es cero y la potencial es máxima.
Esto significa que la
energía potencial se puede transformar en cinética. Por ejemplo, la roca que
está en la cima de un cerro posee energía potencial, pero si esta se desliza
por la ladera del cerro, se transforma en energía cinética.
De esto se deduce que
cuando el cuerpo se desplaza, la energía potencial que está acumulada, va
adquiriendo energía cinética.
Por lo tanto, la energía
mecánica es la suma de la energía potencial y la cinética.
Calor y energía térmica
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Calorimetría es todo lo relativo a
la medición del calor que se desprende o absorbe en los procesos biológicos,
físicos o químicos.
El calor
representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como
consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de
energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía
térmica. (Ver: Cantidad de
calor)
El carácter energético
del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico.
Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de
conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea
aprovechable en forma de trabajo útil. (Ver Transferencia
de calor)
Las ideas acerca de la
naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos.
Las experiencias de
Joule (1818 - 1889) y Mayer (1814 - 1878) sobre la conservación de la energía,
apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era
capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos,
sino que además podía moverlos y realizar un trabajo.
Las máquinas de vapor
que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos
del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y
energía quedaron unidas y el progreso de la física permitió, a mediados del
siglo diecinueve, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa
nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos.
Las nociones de
temperatura
Las nociones científicas
de calor y
temperatura se apoyan en la idea intuitiva que nos transmite nuestro propio cuerpo.
Así, esa sensación fisiológica revelada por el tacto, que permite clasificar
los cuerpos en fríos y calientes, da lugar a la idea de temperatura y por
extensión a la de calor. Sin embargo, la física va más allá de estas nociones
intuitivas y busca representaciones que puedan ser expresadas en forma
numérica, esto es, como magnitudes o atributos medibles.
La experiencia demuestra
que cuando dos cuerpos, uno frío y otro caliente, se ponen en contacto durante
un tiempo prolongado, terminan por alcanzar un estado de equilibrio entre ambos
que se denomina equilibrio térmico. En ese estado no es posible
distinguir cuál de ambos está más frío y cuál más caliente. La propiedad que
tienen en común los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico es
precisamente la temperatura.
Junto con esta
definición descriptiva de lo que se entiende en física por temperatura, con
frecuencia se utiliza otra definición de tipo operacional, que indica mediante
qué procedimiento u operación queda determinada dicha magnitud. Según este
criterio la temperatura sería lo que miden los termómetros.
Ambas definiciones de
temperatura hacen referencia a fenómenos observables y facilitan un estudio
científico de los mismos, pero no explican en qué consiste realmente esa
magnitud que, aparentemente, no mantiene relación alguna con las otras
magnitudes de la física como la longitud, la masa, el tiempo o la fuerza, por
ejemplo.
El desarrollo de una teoría
cinética para la materia fue realizado sobre la base de viejas ideas a las
que se refería Thompson.
La teoría
cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las
diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están
en continuo movimiento (en griego kinesis significa movimiento). En los
cuerpos sólidos este movimiento es de vibración en torno a puntos fijos o de
equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a
consecuencia de los choques de las moléculas del gas entre sí y con el
recipiente que las contiene. En los líquidos, como estado intermedio, pueden
darse ambos tipos de movimientos moleculares.
La teoría
cinético-molecular establece que la energía asociada a esos movimientos
moleculares internos es la responsable de los fenómenos caloríficos.
Junto a la definición de
la temperatura, basada en nuestro sentido del tacto y apoyada en la observación
de los fenómenos correspondientes, que la presenta como una propiedad que
caracteriza el grado de calor de los cuerpos y rige su transmisión de unos a
otros, la teoría cinética propone otra, compatible con la anterior, pero que
ofrece la ventaja de explicar cuál es su naturaleza.
La temperatura es una
medida del nivel de esa agitación térmica o interna de las partículas que
constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética
media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es
la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los
termómetros.
Energía térmica y calor
La energía térmica es la
forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. Cuando dos
cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente comunica
energía al frío; el tipo de energía que se cede de un cuerpo a otro como
consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente la energía
térmica.
La idea que sobre la
temperatura introduce la teoría cinética al definirla como una medida de la
energía cinética media de las moléculas, permite, pues, explicar por qué las
transferencias de calor se producen siempre en el sentido de mayor a menor
temperatura.
LA MEDIDA DE LA
TEMPERATURA
Termómetro
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A partir de la sensación
fisiológica es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que
se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por
diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto
es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación
correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con
otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible
expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de
apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los
termómetros.
Escalas termométricas
En todo cuerpo material
la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de
otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquélla le corresponde
un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica,
de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen
de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la
temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser
empleadas en la construcción de termómetros.
Para definir una escala
de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las
siguientes condiciones:
a) La expresión matemática
de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.
b) La propiedad
termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura
como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios
térmicos.
c) El rango de temperatura
accesible debe ser suficientemente grande.
Una vez que la propiedad
termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o
de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la
determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen
constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de
temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.
El científico sueco
Anders Celsius (1701 - 1744) construyó por primera vez la escala termométrica
que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de
ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se
verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica.
Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el
valor del grado centígrado o grado Celsius (º C) como la centésima parte
del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.
En los países
anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit
(º F). La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores
asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. Así, al primer
punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212.
La escala de
temperaturas adoptada por el Sistema Internacional (SI) es la llamada escala
absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la
Celsius, pero el cero de la escala se fija en el – 273,16 º C. Este punto
llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura
desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la
teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de
valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural
de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas
bajo cero (negativas).
Energía química y combustión
|
Energía química
La humanidad ha
utilizado desde su existencia reacciones químicas para producir energía. Desde
las más rudimentarias, de combustión de madera o carbón, hasta las más
sofisticadas, que tienen lugar en los motores de los modernos aviones o naves
espaciales.
Las reacciones químicas,
pues, van acompañadas de un desprendimiento, o en otros casos de una absorción,
de energía.
¿Cuánta energía puede
producir una reacción
química? ¿De dónde procede esa energía? ¿Cómo puede medirse y calcularse?
Energía química
almacenada
La energía es una
propiedad inherente a la materia. La materia posee energía almacenada que se
debe, por una parte, a la posición o a la altura de un cuerpo (energía
cinética) y, por otra, a la naturaleza o las sustancias de que esté hecho el cuerpo
al que se hace referencia, ya que a cada elemento o compuesto le corresponde
cierta cantidad de energía química almacenada a la que se le denomina contenido
energético.
Cuando se lleva a cabo
un fenómeno químico, éste va acompañado por una manifestación de energía, ya
sea que haya absorción o desprendimiento de ella, debido a la energía química
que almacenan las sustancias
Lo anterior significa
que, cuando la energía química almacenada de los reactivos es mayor que la
energía de los productos, hay un excedente de energía que se libera, pues la
energía se mantiene constante, es decir, no se crea ni se destruye.
Por ejemplo, al
reaccionar metano (gas combustible) con el oxígeno (gas comburente), hay
desprendimiento de energía como producto, porque el contenido energético del
metano y del oxígeno es mayor al que posee el dióxido de carbono y el agua, que
son las sustancias que se forman durante la reacción:
Por lo tanto, si, al
reaccionar, una o varias sustancias producen otras con mayor contenido
energético, habrá absorción de energía por parte de los reactivos, como lo
muestra la siguiente reacción de fotosíntesis:
Las sustancias de gran
contenido energético se utilizan como combustible, ya que al reaccionar con el
oxígeno se genera una gran cantidad de energía en forma de luz y calor.
Alimentos
Los alimentos también
almacenan energía química y mediante éstos los organismos obtienen la energía
necesaria para vivir, es decir, para formar y renovar tejidos, mantener su
temperatura, realizar trabajo muscular, etcétera.
Los alimentos contienen nutrientes tales como los carbohidratos,
los lípidos (grasas), las proteínas y las
vitaminas, a los cuales se les denomina biogenésicos (por ser de origen
orgánico); otros nutrimentos de origen inorgánico son el agua y los minerales
como el sodio, el fósforo, el azufre, el cloro, el cobalto, el manganeso y el
zinc.
Los organismos utilizan
los alimentos para obtener de ellos energía y nutrimentos; estos últimos son
descompuestos para ser utilizados en el crecimiento y restauración celular. A
este proceso de transformación se le denomina metabolismo.
La energía que se puede
metabolizar a partir de los carbohidratos es de 4 kcal por gramo; de los
lípidos, de 9 kcal por gramo y, de las proteínas, de 4 kcal por gramo. Se
recomienda que en una dieta adecuada se ingieran alimentos que proporcionen
aproximadamente 3.000 kcal por día (según la actividad física que se
desempeñe), que contengan, de manera balanceada, todos los nutrimentos. Por
ejemplo: 75 g de proteínas, 80 g de lípidos y de 400 a 500 g de carbohidratos.
Además, se debe considerar que el agua es muy importante como nutrimento y que
los seres humanos necesitan de 2 a 2,5 litros por día, aunque los alimentos
también proporcionan una cantidad proporcional de ella que se conoce como agua
metabólica.
Es necesario recordar
que los organismos obtienen energía a través de un mecanismo
autotrófico o heterotrófico.
El mecanismo
autotrófico es propio de las plantas, algas y cianobacterias que, a partir
de dióxido de carbono y energía luminosa del Sol, producen oxígeno y glucosa.
De esta última se forman moléculas más complejas.
El mecanismo
heterotrófico es propio de organismos como los de los animales; éstos
ingieren el alimento previamente elaborado (carbohidratos, lípidos, etcétera),
sus células lo oxidan mediante la respiración y con ello producen CO2, vapor de
agua y otras sustancias de desecho.
Eficiencia de un motor
de combustión interna
Las reacciones químicas
de combustión de compuestos de carbono con oxígeno para liberar energía son
bien conocidas por todos. Ocurren, por ejemplo, al quemar madera o gas en el
horno o bien cuando la bencina de un auto proporciona la energía necesaria para
su funcionamiento. Estas reacciones son demasiado violentas y poco controladas
para que los organismos vivientes las puedan usar dentro de una célula.
Para que un motor
funcione, éste requiere de combustible que, al reaccionar, desprende energía.
En el caso del motor de combustión interna, la energía del combustible se
transforma en potencia y movimiento, de tal forma que la fuerza producida sirve
para hacer funcionar un autobús, una hélice y un generador, entre otras cosas.
El motor de cuatro
tiempos es el motor de combustión interna más conocido, y su funcionamiento se
lleva a cabo en cuatro etapas, las cuales son:
Primer tiempo (admisión): tiene lugar
la penetración de una mezcla de combustible y aire a la válvula de admisión, al
bajar el pistón.
Segundo tiempo (compresión): el pistón
sube y comprime la mezcla al reducir el volumen.
Tercer tiempo (explosión): al
encender la bujía, ésta provoca la explosión de la mezcla; en este momento el
pistón es empujado y baja.
Cuarto tiempo (expulsión): los gases
producidos por la explosión son expulsados a través de la válvula de expulsión;
en este momento el pistón baja.
Representación esquemática del funcionamiento de un motor de cuatro
tiempos.
La combustión es una
oxidación violenta, la cual, a su vez, desprende energía en forma de calor y
luz. Los principales productos de ella son: el CO2, el vapor de agua
y la energía.
Ejemplos de este proceso
son la combustión del gas de la estufa, de la leña, y del carbón. En todos
estos fenómenos se presenta una oxidación y, por lo tanto, también tiene
lugar una reducción, ya que cuando se produce la combustión de una de
estas sustancias, el oxígeno se reduce ganando electrones y el elemento que se
oxida los pierde.
En el organismo de los
seres vivos existen procesos de "combustión orgánica", los cuales se
denominan así por la similitud que guardan con los productos obtenidos. Sin
embargo, no son propiamente combustiones, pues no son, oxidaciones violentas.
Un ejemplo de éstas es
la degradación de la glucosa que, durante la respiración celular, produce CO2,
H2O y energía, de acuerdo con la siguiente reacción:
En esta ecuación se
observa que cada átomo de oxígeno "gana" 2 electrones (se reduce) y
el carbono "pierde" 4 electrones (se oxida).
La oxidación del gas
butano es una combustión inorgánica, ya que no se efectúa en los seres vivos.
Su reacción es la siguiente:
Energía química en el
organismo
Las células requieren
energía para llevar a cabo la mayoría de los procesos biológicos. La energía
proviene de los alimentos que ingerimos.
El oxígeno presente en
el aire que respiramos se combina con los átomos de carbono e hidrógeno
presentes en las moléculas de los alimentos liberando energía y formando
después de numerosos pasos dióxido de carbono y agua.
La fuente original de
alimentos son las plantas verdes. Estas son capaces de utilizar la energía
solar, dióxido de carbono del aire y agua para crear moléculas orgánicas
complejas formadas mayormente por carbono, hidrógeno y oxígeno y ricas en
energía.
Estas moléculas son de
tres tipos básicos: carbohidratos, lípidos y proteínas. Cualquiera de estos
grupos puede combinarse con oxígeno y generar la energía necesaria para la
vida.
Los animales no pueden
generar carbohidratos, lípidos o proteínas a partir de las simples moléculas de
dióxido de carbono, agua y usando la energía solar. En cambio, se alimentan de
plantas que ya han hecho este trabajo o de otros animales que ya se han
devorado plantas.
Bioquímica de la
respiración celular
La conversión de los
nutrientes en energía ocurre durante los llamados procesos de catabolismo. La
moneda fundamental de energía dentro de las células es una molécula denominada
ATP. La estructura de esta molécula es tal que contiene uniones químicas
capaces de liberar mucha energía al partirse.
Dos ejemplos
fundamentales de catabolismo son:
1. Fermentación.
2. Respiración.
La fermentación es un
proceso de generación de energía que no depende de la presencia de oxígeno. Los
productos finales del proceso son moléculas orgánicas pequeñas como el etanol.
Este es el proceso mediante el cual se generan las bebidas alcohólicas.
La respiración es un
proceso que sí requiere de oxígeno y que genera mayores cantidades de energía
mediante una oxidación completa liberando dióxido de carbono y agua. La energía
proviene en definitiva de los alimentos que comemos. Estos son sometidos a
diversos procesos enzimáticos que los convierten en moléculas más pequeñas que
forman la base de los mecanismos generadores de energía.
Electricidad
|
Un hecho real es
que todo objeto se compone de átomos y cada átomo posee igual número de
electrones y protones
Átomo
|
La electricidad
o energía eléctrica se produce porque la materia se puede cargar
eléctricamente. ¿Qué significa esto?
Veamos: los
electrones poseen una carga negativa y los protones una carga positiva. Estas
cargas se contrarrestan unas a otras para que el objeto resulte neutro (no
cargado). Pero al frotar, por ejemplo, un globo sobre un polerón los electrones
saltan del polerón al globo y éste se carga de electricidad. El globo pasa a
tener más electrones que protones y se carga negativamente; mientras el
polerón, con más protones que electrones, se carga positivamente.
¿Qué ha pasado?
Hemos producido electricidad
Ahora bien, la
electricidad se puede trasmitir de un punto a otro conduciéndola a través de
distintos objetos o materiales.
Todos los
cuerpos pueden trasmitir energía eléctrica, pero existen unos que son mejores
trasmisores de energía eléctrica (conductores, como los metales) que otros, a los cuales les cuesta más o simplemente
no permiten el paso de ella (aisladores o malos conductores).
Para generar
energía eléctrica necesitamos de motores eléctricos, pilas, generadores, los
cuales hacen que se pueda cargar un objeto y así poder transferir la
electricidad.
Los efectos de
la electricidad son múltiples y en la actualidad, conocidos y controlados, se
ocupan para muchos usos.
Magnético
(Electroimanes)
Mecánico (Motores)
Químico (Electrólisis)
Luminosos
Calóricos
Mecánico (Motores)
Químico (Electrólisis)
Luminosos
Calóricos
Sin embargo, en
el curso de la historia, el hombre ha atribuido explicaciones de carácter
místico o religioso a determinados fenómenos naturales como el rayo, los fuegos
de San Telmo o la piedra imán.
Los primeros
descubrimientos de los cuales se tiene noticia en relación con los fenómenos
eléctricos, fueron realizados por los griegos en la Antigüedad. El filósofo y
matemático Tales
de Mileto en el siglo V antes de Cristo
observó que un trozo de ámbar, después de ser frotado con una piel de animal,
adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros (como trozos de paja y pequeñas
semillas).
William Gilbert
|
Tuvieron que
pasar varios siglos antes de que William Gilbert publicara en 1600 su obra De
Magnete, en la que realiza el primer estudio científico del magnetismo.
Este científico observó que algunos otros cuerpos se comportan como el ámbar al
frotarlos, y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier otro
cuerpo, aun cuando no sea ligero.
Como la
designación griega que corresponde al ámbar es elektron, Gilbert comenzó
a usar el término “eléctrico” para referirse a todo cuerpo que se
comportaba como el ámbar, con lo cual surgieron las expresiones “Electricidad”,
“Electrizar”, “Electrización”, etc...
Éste fue el
punto de partida de la historia de la electricidad, cuyo estudio y desarrollo
durante los siglos XVII y XVIII se limitó únicamente a los fenómenos
electrostáticos. Ya en la época moderna surgieron los gabinetes de física y
con ellos los primeros modelos de máquinas eléctricas, fuentes productoras de
grandes cantidades de carga eléctrica.
Desde que Otto
von Guericke construyó en la segunda mitad del siglo XVII su máquina eléctrica,
primer ingenio de estas características, son numerosos los modelos y diseños
que los diferentes investigadores llevaron a la práctica con éxito.
Dos
investigadores aportaron una contribución esencial a la electrostática:
Stephen Gray (1670-1736) descubrió la electrización por influencia (por
frotamiento) y la conductividad eléctrica; por su parte, Du Fay (1698-1739)
reveló la existencia de dos electricidades de diferentes naturalezas, que llamó
“resinosa” (negativa) y “vítrea” (positiva). Un discípulo suyo, el abate Nollet
(1700-1770), se hizo famoso popularizando experimentos de electrostática: hacía
que las chispas crepitaran en los salones de la alta sociedad, donde las damas
hacían cola para ser electrizadas por el abate. El entusiasmo se desbordó
cuando apareció el primer condensador eléctrico, capaz de almacenar la
misteriosa energía: una simple botella con agua con tapón atravesado por un
clavo, la Botella de Leiden. Este dispositivo parece haber sido inventado
simultáneamente, en 1745, por Ewald G. von Kleist (1700-1748) y Petrus
van Musschenbrock (1692-1761), profesor de la Universidad de Leiden.
Benjamín
Franklin
|
Años después, en
el siglo XVIII Benjamín Franklin, un científico norteamericano, propuso
una teoría para explicar los fenómenos eléctricos que se derivaban del
frotamiento. Cuando se frota una sustancia como el vidrio, dicho cuerpo gana
“fluido eléctrico” y queda cargado positivamente (+). En el caso del ámbar,
pierde “fluido eléctrico” y queda cargado negativamente (-). Franklin fue,
entonces, el primero en hablar de cuerpos cargados positiva y negativamente. La
explicación actual del fenómeno se basa en la Teoría atómica de la materia.
Los electrones –partículas cargadas negativamente– giran alrededor del núcleo
del átomo, específicamente en la corteza o envoltura del átomo. El átomo puede
ganar o perder electrones. Si pierde electrones su carga será positiva, por
pérdida de partículas negativas; si gana electrones, su carga será negativa,
por ganancia de partículas negativas.
El electrón fue
descubierto por Joseph J. Thomson.
En el siglo XIX
aparece una nueva forma de electricidad. Alessandro
Volta consiguió en 1800, gracias a su pila,
producir corrientes eléctricas de manera continua. Éste es el origen de la
electrodinámica, con el que se abre todo un mundo de experiencias. En 1820 Hans
Christian Oersted demostró experimentalmente la relación entre electricidad y
magnetismo. Es en este momento cuando surgen las primeras nociones acerca del
electromagnetismo, cuyo desarrollo ha permitido algunos de los mayores avances
tecnológicos de la humanidad.
El ovoide
prolongado es un aparato de metal que sirve para mostrar la distribución de la
carga eléctrica en su superficie; el electroscopio de Volta, de gran importancia en la historia de la electricidad, se trata
de un dispositivo utilizado para estudiar los mecanismos de adquisición de
carga eléctrica en los distintos cuerpos; en el granizo eléctrico observamos
cómo la conexión de dos placas metálicas a una diferencia de potencial causa el
revoloteo de unas pequeñas bolitas de médula de saúco; el campanario eléctrico
se vale de un efecto similar al anterior para hacer que dos bolitas golpeen una
campana en un proceso continuo de carga-repulsión/descarga-atracción; el efecto
eléctrico en puntas demuestra la acumulación de cargas en los extremos de los
objetos metálicos, lo que ocasiona el giro de las aspas al ionizar el aire de
su entorno.
La generación de
carga eléctrica en abundancia se consigue por medio de las máquinas
electrostáticas, con las que se conseguían diferencias de potencial suficientes
para efectuar determinados experimentos.
Para almacenar
la electricidad producida por estas máquinas se contaba con las botellas de
Leiden, cuya forma varió a lo largo del tiempo. Otro sistema de almacenamiento
de carga eléctrica era el condensador de Aepinus.
El estudio de la
electricidad pronto trajo consigo la observación de las "chispas".
Cuando dos conductores a diferente potencial se situaban a corta distancia, era
posible hacer saltar una chispa entre ambos. Existen distintos aparatos que
hacen uso de esta propiedad con finalidades diferentes.
El excitador de
Henley se utilizaba para estudiar los efectos de las descargas eléctricas en
objetos, seres vivos incluidos, colocados entre los dos conductores; el
perforador de tarjetas se utilizaba para un fin análogo: se colocaba un naipe o
una tarjeta entre los dos conductores, de manera que al saltar la chispa, la
tarjeta quedaba perforada; el termómetro de Kinnersley permitía probar el
desprendimiento de calor en las chispas; el cuadro mágico y la pirámide
centelleante son ejemplos de juegos científicos de carácter experimental: en
ambos casos las descargas producían efectos visuales y la formación de figuras
brillantes.
Tubo de Crooke
|
Los tubos de
Geissler consisten, por lo general, en un fino tubo de cristal que contienen un
gas enrarecido en su interior. Al producirse una descarga de alta tensión,
tienen lugar diversos efectos radiantes, dependiendo del gas y la presión a la
que esté sometido. Algunos de estos tubos están coloreados y producen efectos
ópticos especialmente llamativos.
William Crookes,
al igual que Geissler, empleaba condiciones de vacío y descargas de alta
tensión en tubos de vidrio. Sus experimentos le llevaron a identificar la
naturaleza eléctrica de los rayos catódicos, fuente de otro tipo de radiación
completamente distinta, a la que Röntgen denominó rayos X, debido a su carácter
desconocido. Röntgen los descubrió accidentalmente al observar un haz de
electrones (radiación catódica) que incidía en la superficie de vidrio de un
tubo de descarga.
La necesidad de
controlar la corriente eléctrica llevó a la creación de las cajas de
resistencias, que permitían controlar la intensidad de la corriente. El
reóstato de Wheatstone es una resistencia variable que hace uso de la buena
conducción eléctrica de unas piezas gruesas de metal.
La medida de la
corriente eléctrica se realiza utilizando fenómenos eléctricos y magnéticos. El
multiplicador de Schweigger es una aplicación de la experiencia de Oersted, en
la cual una aguja imanada es desviada por una corriente. Es el primer
galvanómetro de la historia, ya que el ángulo de desviación está relacionado
con la intensidad de la corriente. Los demás galvanómetros son instrumentos
similares, pero más precisos y probablemente más complejos.
Si con la pila
de Volta y otros generadores como el de Faraday se conseguía corriente
continua, ahora la corriente alterna podía conseguirse con las máquinas
magnetoeléctricas, como por ejemplo la de Gramme.
El movimiento de
unas bobinas en un campo magnético fijo induce una corriente alterna, que puede
utilizarse como tal o transformarse en corriente continua con facilidad. El
transformador de corriente alterna nace de la necesidad de transportar energía
eléctrica a grandes distancias. Desde los primeros aparatos destinados a elevar
la tensión como la bobina de Ruhmkorff o el resonador de Oudin, antecesores de
los actuales transformadores, este tipo de instrumentos han sufrido no pocas
modificaciones, si bien en esencia su funcionamiento se basa en los mismos
principios que llevaron a Michael
Faraday a enunciar, en 1832, su ley de la inducción.
En la actualidad
sabemos que todas las sustancias pueden presentar un comportamiento similar al
del ámbar; es decir, pueden electrizarse al ser frotadas con otra sustancia.
Por ejemplo, una regla de plástico se electriza cuando la frotamos con seda y
puede atraer una bolita de “plumavit”; un peine se electriza cuando se le frota
contra el cabello y luego puede atraer a éste, o bien, a un hilo de agua; la
ropa de nailon también se electriza al friccionarse con nuestro cuerpo; los
automóviles en movimiento adquieren electrización por su rozamiento con el
aire, etc...
Respecto a los
ejemplos anteriores, conviene aquí hacer una precisón.
Por efecto de
los roces entre objetos se produce en ellos un aumento de cargas eléctricas que
conocemos como electricidad estática. La electricidad estática (llamada también
corriente estática, aunque no corre ni fluye) aparece principalmente
por el efecto de la fricción entre dos cuerpos.
En rigor, el
término electricidad estática se refiere a la acumulación de carga
eléctrica en una zona con poca conductividad eléctrica, un aislante,
de manera que la acumulación de carga se mantiene.
La electricidad
estática o corriente estática o simplemente estática
es, como su nombre lo indica, estática (no se mueve), pues a
diferencia de la corriente o electricidad que todos conocen es
una carga que no va a ninguna parte.
En cambio, tanto
la corriente continua como la corriente alterna fluyen en algún
sentido, la estática no.
Por eso hoy, la electricidad
(entendida como corriente eléctrica) se define como un flujo continuo
de electrones a través de un conductor.
Importancia de
la electricidad
La electricidad,
junto con el vapor, ha sido un gran agente de transformación en la industria y
en el comercio. A fines del siglo XIX se transformó en una fuente de luz, de
calor y de fuerza motriz, dando origen, junto con el empleo del petróleo, a un
impulso de la industria tan considerable que se ha dicho que en la última parte
del siglo XIX, el mundo experimentó una segunda revolución industrial.
El invento de la
dínamo-eléctrica, que transforma el trabajo mecánico en energía
eléctrica, fue el acontecimiento más importante. Poco después se combinó esto
con el aprovechamiento de las caídas de agua (energía
hidroeléctrica).
La electricidad
ha hecho posible el telégrafo (1833), después el teléfono (1876) y,
posteriormente, la telegrafía y la telefonía sin hilos, con la trasmisión de la
palabra. El sabio alemán Gauss sacó de los descubrimientos teóricos de Ampere
y de Aragó la telegrafía eléctrica. El primer aparato práctico fue
construido en Estados Unidos por Morse; el aparato y su alfabeto todavía
son de uso universal. El teléfono fue inventado por el francés Bourseul,
un empleado de telégrafos; pero no fue utilizado, sino mucho más tarde (1876),
gracias al norteamericano Graham Bell. (Ver Cronología
de la electricidad)
Desde 1836
Inglaterra y Estados Unidos empezaron a construir su red telegráfica.
Más tarde se
inventó la telefonía sin hilos, que no tardó en industrializarse y ser usada en
la vida diaria, disminuyendo las distancias y poniendo rápidamente en
comunicación a todas las personas de nuestro planeta.
Y suma y sigue.
Resultaría
monumental la tarea de seguir describiendo los avances hasta el momento en materia
de electricidad o de sus posteriores aplicaciones tecnológicas. Pero no sería
exagerar si dijéramos que la civilización actual volvería a un estado primitivo
de no existir el conocimiento de esta forma de energía. Imagine su propia vida
sin electricidad. Desde ya no habría luz eléctrica, ni teléfono o cualquier
modo de comunicación a distancia que no sea la imprenta. No habría
computadoras, ni cine. Tampoco automóviles porque para ello se necesitó del
paso de la pistola de Volta, precursor de las bujías. La medicina retrocedería
a sus orígenes, sin rayos X, resonancia magnética, ecografías, etc. El mundo de
la alimentación sufriría un gran embate sin la refrigeración. Sin satélites de
comunicación ni computadoras la meteorología sería incapaz de predecir
huracanes o fenómenos como la Corriente del Niño. Si no hay automóviles,
tampoco habrá máquinas de construcción. ¿Habría edificios, puentes, túneles?
Tal vez muy pocos. Es verdad, no tendríamos que vernos con los problemas que
acarrearon estos avances. ¿Pero, a qué precio?
Imagine un mundo
así. No se trata de ver si ese mundo sería mejor o peor, eso es muy difícil de
evaluar, tan solo se trata de notar la diferencia.
Obtención de la
electricidad
La electricidad
se obtiene a gran escala a través de las Centrales
Hidroeléctricas o Termoeléctricas, fuente de energía térmica (combustibles, geotermia, energía
solar, energía nuclear) o energía mecánica (energías eólica, hidráulica,
mareomotriz), la cual acciona unos aparatos motores, por ejemplo, turbinas. Las
turbinas, acopladas a alternadores, convierten su energía mecánica en energía
eléctrica, que luego es distribuida a la red. En la actualidad, las únicas
instalaciones de gran potencia son las centrales termoeléctricas (que funcionan
con combustibles como carbón, petróleo o gas) y las centrales hidroeléctricas
(que funcionan por la fuerza de la caída de aguas en las grandes represas o los
caudales de ríos).
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