La transformación de energía , también conocida como conversión de energía , es el proceso de cambiar la energía de una forma a otra. [1] En física , la energía es una cantidad que proporciona la capacidad de realizar un trabajo o moverse (por ejemplo, levantar un objeto) o proporciona calor . Además de convertirse, según la ley de conservación de la energía , la energía es transferible a un lugar u objeto diferente, pero no puede crearse ni destruirse.
La energía en muchas de sus formas puede utilizarse en procesos naturales, o para prestar algún servicio a la sociedad como calefacción, refrigeración , iluminación o realización de trabajos mecánicos para operar máquinas. Por ejemplo, para calentar una casa, el horno quema combustible, cuya energía potencial química se convierte en energía térmica , que luego se transfiere al aire de la casa para elevar su temperatura.
Las conversiones a energía térmica a partir de otras formas de energía pueden ocurrir con un 100% de eficiencia. [2] [ fuente autoeditada? ] La conversión entre formas no térmicas de energía puede ocurrir con una eficiencia bastante alta, aunque siempre hay algo de energía disipada térmicamente debido a la fricción y procesos similares. A veces, la eficiencia es cercana al 100%, como cuando la energía potencial se convierte en energía cinética cuando un objeto cae en el vacío. Esto también se aplica al caso contrario; por ejemplo, un objeto en una órbita elíptica alrededor de otro cuerpo convierte su energía cinética (velocidad) en energía potencial gravitacional (distancia del otro objeto) a medida que se aleja de su cuerpo padre. Cuando llegue al punto más lejano, invertirá el proceso, acelerando y convirtiendo la energía potencial en cinética. Dado que el espacio es casi un vacío, este proceso tiene una eficiencia cercana al 100%.
La energía térmica es única porque en la mayoría de los casos (sauce) no se puede convertir en otras formas de energía. Sólo se puede utilizar una diferencia en la densidad de la energía térmica/calórica (temperatura) para realizar el trabajo, y la eficiencia de esta conversión será (mucho) inferior al 100%. Esto se debe a que la energía térmica representa una forma de energía particularmente desordenada; se distribuye aleatoriamente entre muchos estados disponibles de una colección de partículas microscópicas que constituyen el sistema (se dice que estas combinaciones de posición y momento para cada una de las partículas forman un espacio de fase ). La medida de este desorden o aleatoriedad es la entropía , y su característica definitoria es que la entropía de un sistema aislado nunca disminuye. No se puede tomar un sistema de alta entropía (como una sustancia caliente, con una cierta cantidad de energía térmica) y convertirlo en un estado de baja entropía (como una sustancia de baja temperatura, con correspondientemente menor energía), sin que esa entropía vaya a otra parte. (como el aire circundante). En otras palabras, no hay manera de concentrar energía sin distribuirla en otra parte.
La energía térmica en equilibrio a una temperatura dada ya representa la máxima igualación de energía entre todos los estados posibles [3] porque no es completamente convertible a una forma "útil", es decir, una que pueda hacer algo más que afectar la temperatura. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema cerrado nunca puede disminuir. Por esta razón, la energía térmica de un sistema puede convertirse en otros tipos de energía con eficiencias cercanas al 100% sólo si la entropía del universo aumenta por otros medios, para compensar la disminución de entropía asociada con la desaparición de la energía térmica. y su contenido de entropía. De lo contrario, sólo una parte de esa energía térmica podrá convertirse en otros tipos de energía (y, por tanto, en trabajo útil). Esto se debe a que el resto del calor debe reservarse para transferirse a un depósito térmico a menor temperatura. El aumento de entropía para este proceso es mayor que la disminución de entropía asociada con la transformación del resto del calor en otros tipos de energía.
Para hacer más eficiente la transformación de energía, es deseable evitar la conversión térmica. Por ejemplo, la eficiencia de los reactores nucleares, en los que la energía cinética de los núcleos se convierte primero en energía térmica y luego en energía eléctrica, se sitúa en torno al 35%. [4] [5] Mediante la conversión directa de energía cinética en energía eléctrica, efectuada eliminando la transformación de energía térmica intermedia, la eficiencia del proceso de transformación de energía se puede mejorar drásticamente. [6]
Las transformaciones de energía en el universo a lo largo del tiempo suelen caracterizarse por varios tipos de energía, que han estado disponibles desde el Big Bang , siendo luego "liberadas" (es decir, transformadas en tipos de energía más activos como la energía cinética o radiante) por una mecanismo de disparo.
Se produce una transformación directa de energía cuando el hidrógeno producido en el Big Bang se acumula en estructuras como los planetas, en un proceso durante el cual parte del potencial gravitacional se convierte directamente en calor. En Júpiter , Saturno y Neptuno , por ejemplo, ese calor procedente del continuo colapso de las grandes atmósferas gaseosas de los planetas continúa impulsando la mayoría de los sistemas climáticos de los planetas. Estos sistemas, que consisten en bandas atmosféricas, vientos y tormentas poderosas, funcionan sólo en parte con la luz solar. Sin embargo, en Urano , poco de este proceso ocurre. [ ¿por qué? ] [ cita necesaria ]
En la Tierra , una parte importante de la producción de calor del interior del planeta, estimada entre un tercio y la mitad del total, es causada por el lento colapso de los materiales planetarios a un tamaño menor, generando calor. [ cita necesaria ]
Ejemplos familiares de otros procesos similares que transforman la energía del Big Bang incluyen la desintegración nuclear, que libera energía que originalmente estaba "almacenada" en isótopos pesados , como el uranio y el torio . Esta energía fue almacenada en el momento de la nucleosíntesis de estos elementos. Este proceso utiliza la energía potencial gravitacional liberada por el colapso de las supernovas de Tipo II para crear estos elementos pesados antes de que se incorporen a sistemas estelares como el Sistema Solar y la Tierra. La energía encerrada en el uranio se libera espontáneamente durante la mayoría de los tipos de desintegración radiactiva y puede liberarse repentinamente en bombas de fisión nuclear . En ambos casos, una parte de la energía que une los núcleos atómicos se libera en forma de calor.
En una cadena similar de transformaciones que comenzó en los albores del universo, la fusión nuclear del hidrógeno en el Sol libera otra reserva de energía potencial que se creó en el momento del Big Bang. En ese momento, según una teoría [ ¿cuál? ] , el espacio se expandió y el universo se enfrió demasiado rápido para que el hidrógeno se fusionara completamente en elementos más pesados. Esto dio como resultado que el hidrógeno representara una reserva de energía potencial que puede liberarse mediante la fusión nuclear . Este proceso de fusión se desencadena por el calor y la presión generados por el colapso gravitacional de las nubes de hidrógeno cuando producen estrellas, y parte de la energía de fusión se transforma luego en luz estelar. Considerando el sistema solar, la luz de las estrellas, proveniente en su abrumadora mayoría del Sol, puede volver a almacenarse como energía potencial gravitacional después de que impacte la Tierra. Esto ocurre en el caso de avalanchas , o cuando el agua se evapora de los océanos y se deposita en forma de precipitación muy por encima del nivel del mar (donde, después de ser liberada en una presa hidroeléctrica , puede usarse para impulsar turbinas/generadores para producir electricidad).
La luz del sol también impulsa muchos fenómenos meteorológicos en la Tierra. Un ejemplo es un huracán , que ocurre cuando grandes áreas inestables de océano cálido, calentadas durante meses, ceden repentinamente parte de su energía térmica para alimentar unos días de violento movimiento de aire. Las plantas también capturan la luz del sol como energía potencial química a través de la fotosíntesis , cuando el dióxido de carbono y el agua se convierten en una combinación combustible de carbohidratos, lípidos y oxígeno. La liberación de esta energía en forma de calor y luz puede ser provocada repentinamente por una chispa, en un incendio forestal; o puede estar disponible más lentamente para el metabolismo animal o humano cuando se ingieren estas moléculas, y el catabolismo se desencadena por la acción enzimática.
A través de todas estas cadenas de transformación, la energía potencial almacenada en el momento del Big Bang es luego liberada por eventos intermedios, y a veces se almacena de varias maneras diferentes durante largos períodos entre liberaciones, como energía más activa. Todos estos eventos implican la conversión de un tipo de energía en otros, incluido el calor.
Una central eléctrica alimentada por carbón implica estas transformaciones energéticas:
En tal sistema, el primer y cuarto paso son muy eficientes, pero el segundo y tercer paso son menos eficientes. Las centrales eléctricas alimentadas con gas más eficientes pueden alcanzar una eficiencia de conversión del 50%. [ cita necesaria ] Las estaciones alimentadas con petróleo y carbón son menos eficientes.
En un automóvil convencional se producen las siguientes transformaciones de energía:
Hay muchas máquinas y transductores diferentes que convierten una forma de energía en otra. A continuación se incluye una breve lista de ejemplos: