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 un movimiento (por ejemplo, levantar un objeto) o proporciona calor . Además de convertirse, según la ley de conservación de la energía , la energía es transferible a una ubicación u objeto diferente, pero no se puede crear ni destruir.
La energía en muchas de sus formas puede ser utilizada en procesos naturales, o para brindar algún servicio a la sociedad como calefacción, refrigeración , iluminación o realizar trabajo mecánico 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 de otras formas de energía a energía térmica pueden ocurrir con una eficiencia del 100%. [2] [ fuente autopublicada? ] 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 opuesto; por ejemplo, un objeto en una órbita elíptica alrededor de otro cuerpo convierte su energía cinética (velocidad) en energía potencial gravitatoria (distancia del otro objeto) a medida que se aleja de su cuerpo padre. Cuando llega al punto más lejano, invertirá el proceso, acelerando y convirtiendo la energía potencial en cinética. Dado que el espacio es un casi 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. Solo se puede utilizar una diferencia en la densidad de energía térmica/calórica (temperatura) para realizar trabajo, y la eficiencia de esta conversión será (mucho) menor que el 100%. Esto se debe a que la energía térmica representa una forma particularmente desordenada de energía; 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 fases ). 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 una energía correspondientemente menor), sin que esa entropía vaya a otro lugar (como el aire circundante). En otras palabras, no hay forma de concentrar energía sin distribuir energía en otro lugar.
La energía térmica en equilibrio a una temperatura dada ya representa la máxima compensación de energía entre todos los estados posibles [3] porque no es totalmente convertible a una forma "útil", es decir, una que pueda hacer más que simplemente 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 en un sistema puede convertirse en otros tipos de energía con eficiencias cercanas al 100% solo si la entropía del universo se incrementa 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, solo una parte de esa energía térmica puede convertirse en otros tipos de energía (y, por lo tanto, en trabajo útil). Esto se debe a que el resto del calor debe reservarse para ser transferido a un depósito térmico a una temperatura más baja. 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 que la transformación de la energía sea más eficiente, es conveniente 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 la energía cinética en energía eléctrica, que se lleva a cabo eliminando la transformación intermedia de la energía térmica, se puede mejorar drásticamente la eficiencia del proceso de transformación de la energía. [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 , y que luego son "liberadas" (es decir, transformadas en tipos de energía más activos como la energía cinética o radiante) por un mecanismo desencadenante.
Una transformación directa de la energía ocurre cuando el hidrógeno producido en el Big Bang se acumula en estructuras como los planetas, en un proceso durante el cual parte del potencial gravitatorio se convierte directamente en calor. En Júpiter , Saturno y Neptuno , por ejemplo, dicho calor proveniente del continuo colapso de las grandes atmósferas gaseosas de los planetas continúa impulsando la mayoría de los sistemas meteorológicos de los planetas. Estos sistemas, que consisten en bandas atmosféricas, vientos y tormentas poderosas, son alimentados solo parcialmente por la luz solar. Sin embargo, en Urano , poco de este proceso ocurre. [ ¿por qué? ] [ cita requerida ]
En la Tierra , una parte importante de la emisión de calor del interior del planeta, estimada entre un tercio y la mitad del total, es causada por el colapso lento de los materiales planetarios a un tamaño más pequeño, lo que genera calor. [ cita requerida ]
Ejemplos conocidos 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 se almacenó en el momento de la nucleosíntesis de estos elementos. Este proceso utiliza la energía potencial gravitatoria 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 atrapada 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 por 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 estelar, abrumadoramente proveniente del Sol, puede volver a almacenarse como energía potencial gravitatoria después de que golpea la Tierra. Esto ocurre en el caso de las avalanchas , o cuando el agua se evapora de los océanos y se deposita como precipitación a gran altura sobre el nivel del mar (donde, después de liberarse en una presa hidroeléctrica , puede usarse para impulsar turbinas/generadores para producir electricidad).
La luz del sol también es el motor de muchos fenómenos meteorológicos en la Tierra. Un ejemplo es el huracán , que se produce cuando grandes áreas inestables de océano cálido, calentadas durante meses, ceden parte de su energía térmica de repente para alimentar unos días de violento movimiento del aire. La luz del sol también es captada por las plantas 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 de repente 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 de las enzimas.
A través de todas estas cadenas de transformación, la energía potencial almacenada en el momento del Big Bang se libera posteriormente mediante eventos intermedios, a veces almacenándose 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 de carbón implica estas transformaciones energéticas:
En un sistema de este tipo, los pasos primero y cuarto son muy eficientes, pero el segundo y el tercero son menos eficientes. Las centrales eléctricas a gas más eficientes pueden alcanzar una eficiencia de conversión del 50%. [ cita requerida ] Las centrales a petróleo y carbón son menos eficientes.
En un automóvil convencional se producen las siguientes transformaciones energéticas:
Existen muchas máquinas y transductores diferentes que convierten una forma de energía en otra. A continuación, se ofrece una breve lista de ejemplos: