Fenómenos y aplicaciones de la energía.

Fenómenos naturales donde interviene la energía.

Los fenómenos naturales son eventos que ocurren en la naturaleza sin la intervención humana, muchos dependen de la energía como:

Terremotos y energía sísmica.

En un terremoto se produce la liberación repentina de energía acumulada en la corteza terrestre. La fricción entre las placas tectónicas genera cierta tensión, y cuando supera la resistencia de las rocas, produce una ruptura a lo largo de una falla. La energía elástica almacenada en las rocas se libera bruscamente en forma de ondas sísmicas, que son una forma de energía cinética que viaja a través del suelo. La cantidad de energía liberada está directamente relacionada con la magnitud del terremoto, una parte de la energía que se libera en el terremoto, lo hace en forma de ondas sísmicas, otra parte en forma de calor por la fricción entre las placas, otra en forma de deslizamientos de la tierra y en algunos casos en forma de sonido o vibraciones audibles.

México se localiza en un cinturón de gran actividad sísmica, a diario se producen movimientos tectónicos aunque no siempre su magnitud es perceptible debido a que nuestro país se encuentra sobre cinco placas tectónicas: En la placa Norteamericana se encuentra la mayor parte del país al igual que parte del océano Atlántico y parte de Asia. En la placa del Pacífico se encuentra la península de Baja California, el estado de California y gran parte del océano Pacífico. En la placa del Caribe se encuentra el sur de Chiapas, gran parte de las Islas Caribeñas y los países de Centro América. Las placas de Cocos y Rivera conforman el rompecabezas tectónico de México, son oceánicas y se encuentran bajo el Océano Pacífico.

 Rayos y energía eléctrica.

Un rayo es una descarga eléctrica masiva atmosférica formada por la acumulación de cargas eléctricas opuestas dentro de las nubes o entre una nube y el suelo. Las gotas de agua y los cristales de hielo en las nubes chocan, dándose una separación de cargas, la diferencia de potencial eléctrico se vuelve tan grande que el aire (normalmente aislante), se vuelve conductor y permite que las cargas se neutralicen en una descarga, liberando gran cantidad de energía eléctrica que se manifiesta en forma de luz, calor y sonido (trueno). Un solo rayo puede tener hasta un billón de julios de energía, equivalente a 300 kilovatios-hora aproximadamente, esta energía es suficiente para abastecer un hogar promedio por un mes. Se estima que 1400 millones de rayos impactan la Tierra cada año, siendo un potencial masivo de energía.

Fotosíntesis.

Proceso mediante el cual las plantas, algas y algunas bacterias convierten la energía luminosa del sol en energía química. La energía se capta a través de la clorofila que absorbe la luz solar, la cual rompe las moléculas de agua y del dióxido de carbono, los átomos resultantes se reorganizan para formar glucosa (un tipo de azúcar) que almacena la energía en sus enlaces químicos. La planta utiliza la glucosa como combustible para realizar sus procesos vitales.

Ciclo del agua.

El ciclo del agua, implica una transferencia y uso de la energía térmica. El agua es impulsada por diferentes tipos de energía que se transforma y se transfiere a lo largo de sus fases, siendo el sol la principal fuente de energía, la radiación solar calienta el agua de los océanos, ríos y lagos, iniciando la evaporación. Cuando el agua se ha evaporado y está en la atmósfera, la energía potencial gravitatoria y la energía cinética, a través de la condensación, precipitación y escorrentía, forman las gotas de agua en las nubes y se vuelven tan pesadas que caen.

Erupciones volcánicas.

Son la manifestación de la energía del interior de la Tierra. El magma tiene gran cantidad de energía térmica y potencial debido a la alta presión y temperatura en el manto terrestre. Cuando el magma asciende a la superficie, la energía se libera de forma explosiva convirtiéndola en energía cinética conforme la lava, rocas y gases se expulsan. La energía geotérmica del calor interno es fundamental para la producción de energía renovable, siendo una alternativa sostenible a los combustiones fósiles, se puede aprovechar para generar electricidad. Una erupción libera energía en forma de flujos de lava, cenizas, explosiones, vibraciones y calor (energía térmica).

Huracanes.

 

Se forman sobre aguas oceánicas cálidas, el calor del agua es absorbida por el aire elevándose y enfriándose para liberar grandes cantidades de energía térmica, que alimenta la energía cinética, la cual, mueve los vientos ciclónicos y lluvias torrenciales. La magnitud de la energía liberada puede ser comparable a la de miles de bombas atómicas.

Tornados.

Los tornados se alimentan de la inestabilidad atmosférica, el calor latente liberado por el vapor de agua al condensarse y los cambios en la velocidad/dirección del viento. 

Su formación depende de la energía, a partir de tormentas eléctricas severas donde las corrientes de aire cálido y húmedo se elevan rápidamente, mientras que el aire frio desciende, esta diferencia en la temperatura y la velocidad del aire crea una rotación que se intensifica en un embudo, concentrando una cantidad muy grande de energía cinética en un área muy pequeña.

Tsunamis.

Conocidos como maremotos, son olas gigantes con una gran cantidad de energía originados por terremotos submarinos. Un sismo repentino en el lecho oceánico libera energía sísmica, que es una forma de energía potencial acumulada en las placas tectónicas, que empuja el agua hacia arriba, creando ondas que viajan a través del océano. La energía potencial de la ola se convierte en energía cinética masiva que causa altura y fuerza destructiva de la ola.

Aplicaciones tecnológicas de la energía.

La energía se ha utilizado para satisfacer necesidades primarias, secundarias, individuales y colectivas, lo cual, ha permitido mejorar la calidad de vida e igual, algunos tipos de energía se han sobre explotado de forma irresponsable con consecuencias negativas a la humanidad y al planeta.

Algunas aplicaciones tecnológicas de la energía están en la generación, almacenamiento y distribución de la energía a partir de distintas fuentes (solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica, nuclear y biomasa):

• Paneles solares con células fotovoltaicos para la generación de electricidad.
• Turbinas eólicas para generar electricidad.
• Calentadores solares de agua para uso doméstico.
• Parques eólicos para suministro de electricidad a comunidades.
• Centrales hidroeléctricas para la generación de electricidad.
• Domótica (contactos inteligentes, sistemas de monitoreo de energía y control automatizado de persianas).
• Plantas geotérmicas para la generación de electricidad.
• Bombas de calor geotérmico para la calefacción de edificios.
• Estaciones de aprovechamiento directo de calor geotérmico para procesos industriales.
• Centrales nucleares para la generación de electricidad.
• Reactores nucleares para la producción de radioisótopos utilizados en medicina y agricultura.
• Submarinos nucleares para la propulsión y suministro de energía en alta mar.
• Plantas de biomasa para la generación de electricidad a partir de residuos orgánicos.
• Calderas de biomasa para la calefacción y producción de agua caliente en viviendas.
• Biogas para la producción de energía en granjas y plantas de tratamiento de residuos.
• Uso en el sistema de transporte, incluyendo la generación de baterías para vehículos eléctricos.
• Uso de dispositivos electrónicos en las comunicaciones.
• Vehículos eléctricos.
• Redes inteligentes para optimizar la distribución eléctrica.
• Fotónica médica (uso de radiación para rayos X, tomografías computarizadas y radioterapia).

Las aplicaciones proporcionan beneficios ambientales, económicos y sociales al reducir la dependencia de combustibles fósiles, disminuir emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), preservar los recursos naturales  y la biodiversidad, minimizar la contaminación de tierra, agua y aire, generar empleos y promover la diversificación y autonomía energética.

Algunos retos que enfrentan las aplicaciones tecnológicas son los altos costos de implementación y mantenimiento, su disponibilidad es un punto a considerar debido a que en algunas áreas no se dispone de suficiente radiación solar, viento, agua o calor geotérmico, o bien pueden llegar a afectar ecosistemas y generar residuos tóxicos, como la energía nuclear.

Tercera ley de la termodinámica.

A medida que la temperatura de un sistema se aproxima al cero absoluto (0 K), su entropía tiende a un mínimo constante, es decir, sus moléculas dejan de moverse, logrando un orden perfecto, por tanto, la entropía se considera cero.

De acuerdo a esta ley, el valor de la entropía es cero en un sólido cristalino perfecto en el cero absoluto (0 K), la entropía es mínima y constante:

Aplicaciones:

Esta ley es el concepto termodinámico que estudia las propiedades de los sistemas a temperatura cero absoluta.

• Investigación de nuevos materiales. Prescribe a los investigadores como sintetizarlos, como a los catalizadores o superconductores.
• Procesos industriales. Los ingenieros utilizan la entropía para mejorar la eficiencia de sus sistemas y los costos de producción.
• Almacenamiento y conservación criogénica. Al acercarse al cero absoluto, los materiales exhiben propiedades como la superconductividad, donde la resistencia eléctrica desaparece por completo. Esto ayuda en la investigación médica, trasplantes de órganos, tecnologías de reproducción asistida, almacenamiento criogénico (células madre, óvulos, embriones y tejidos) así como en futuros tratamientos de fertilidad e investigación genética.
• Superconductividad. A medida que la entropía se acerca a cero, la presenta la superconductividad, las corrientes persistentes pueden mantenerse sin pérdida de energía y utilizarse en levitación magnética, máquinas de resonancia magnética y aceleradores de partículas.
• Computación cuántica. Esta pueden procesar el problema a temperaturas muy bajas donde la coherencia cuántica se mantiene y es necesaria para los cálculos cuánticos, se garantiza que las plataformas cuánticas operen a baja temperatura minimizando fluctuaciones térmicas.
• Astrofísica y cosmología. Permite comprender la evolución del universo y los cuerpos celestes. Al medir las entropías de las estrellas, los agujeros negros y la estructura del universo, los científicos obtiene conocimiento para comprender aspectos como el nacimiento de las estrellas, la interacción de las galaxias  y el fin de todo.
• Ciencia de los materiales y nanotecnología. Esta ley define el estudio de los materiales al observarlos a escala atómica y molecular, al acercarse al cero absoluto presentan fenómenos como la superfluidez, la condensación de Bose-Einstein y el túnel cuántico. Con esto se tiene oportunidad de crear electrónica, sensores y dispositivos cuánticos de próxima generación.
• Gestión térmica en electrónica. Derivado de la gestión térmica para la correcta disipación del calor de los microprocesadores y componentes digitales, garantizando que los productos funcionen a la temperatura deseada aumentando su vida útil y mejorando su fiabilidad. Este es un proceso vital para la informática de alto rendimiento, telecomunicaciones y dispositivos de consumo.
• Monitoreo ambiental y ciencia del clima. Implica la cuantificación de los cambios en la entropía en sistemas naturales como océanos y ecosistemas, permitiendo visualizar patrones climáticos, evaluar el efecto de la actividad humana en los ecosistemas y determinar estrategias para abordar los problemas del cambio climático.

 Segunda ley de la termodinámica.

En un sistema aislado, la entropía, que es una medida del desorden o la aleatoriedad, nunca disminuye. Es decir, los sistemas tienden naturalmente hacia un estado de mayor desorden y aleatoriedad. 

Implica que la mayoría de los procesos naturales son irreversibles, por ejemplo, si se mezcla un líquido caliente con uno frío, en algún momento alcanzarán la misma temperatura, y la entropía del sistema aumentará. 

Los sistemas tienden hacia un estado máximo de desorden (una alta entropía), como por ejemplo, el derretimiento de un cubo de hielo es espontáneo e irreversible ya que, el proceso contrario no puede suceder sin la intervención de la energía.

La transformación de trabajo en calor es siempre posible, de forma inversa, es posible solo si se respetan algunas condiciones establecidas en la segunda ley de la termodinámica:

1. Formulación de Clausius. El calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo más frío a uno más caliente: un cubo de hielo se derrite en una bebida caliente, pero el calor del hielo no pasa a la bebida para calentarla aún más.
2. Formulación de Kelvin-Planck. Es imposible construir un dispositivo que, operando en un ciclo, convierta completamente el calor absorbido en trabajo: cualquier máquina térmica real (como un motor de combustión interna) siempre tendrá menos del 100% de eficiencia.

Aplicaciones:

• Calefacción y refrigeración. Dependen del flujo de calor, el trabajo se usa para transferir calor desde una zona más fría o caliente, procesos irreversibles, por lo que para enfriar un espacio se requiere energía que supere el oren que se genera al extraer el calor.
• Procesos biológicos. Los procesos metabólicos aumentan la entropía del entorno al convertir la energía de los alimentos en energía útil y al mismo tiempo se libera calor y desechos, lo que contribuye con el aumento de la entropía del universo.

Esta ley también establece que es imposible construir una máquina que funcionando de forma continua, transforme en trabajo todo el calor que se le suministra, por tanto, la eficiencia de las máquinas nunca será del 100% debido a que la mayor parte del calor proporcionado en lugar de convertirse en trabajo mecánico, se disipa en la atmósfera. 

La eficiencia de la máquina térmica se da en relación al trabajo mecánico producido y la cantidad de calor que se le suministra:

W = Trabajo mecánico en calorías (cal) o Joules (J).

Q =  Calor suministrado a la máquina por el combustible en cal o J.

In = Eficiencia de la máquina térmica.

También se puede expresar:

Q₁= Calor suministrado en cal o J.

Q₂ = Calor obtenido en cal o J.

T₁ = Temperatura de la fuente caliente.

T₂ = Temperatura de la fuente fría.

Pérdidas de calor.

Se refieren a la transferencia no deseada de energía térmica desde un sistema hacia su entorno. Una vez que la energía se ha disipado como calor hacia los alrededores del sistema, no puede transformarse en otra forma de energía útil, por eso se le llama pérdida de calor.

Se manifiestan mediante tres procesos:

1. CONDUCCIÓN. Implica la transferencia directa a través de un material.
2. CONVECCIÓN. Ocurre a través de un fluido como el aire.
3. RADIACIÓN. Consiste en la emisión de energía térmica en forma de ondas electromagnéticas.

Las pérdidas de calor pueden ocurrir en cualquier situación donde existe una diferencia de temperatura, ya sea entre dos sistemas o entre un sistema y sus alrededores y el control de esta pérdida de calor es fundamental para mejorar la eficiencia energética y reducir el consumo innecesario de recursos. La comprensión y gestión adecuada de las perdidas de calor son esenciales en:

a) Edificación y construcción. Para mejorar la eficiencia energética en viviendas y edificios comerciales; para un aislamiento adecuado; reducción de costos de calefacción; para evitar condensación, moho y daños estructurales causados por puentes térmicos.

b) Procesos industriales. Para garantizar un uso óptimo de la energía, reducir el consumo de combustible y mejorar la seguridad. Indispensable en industrias de acero, cerámica, procesamiento de alimentos y productos químicos en hornos, calderas y sistemas de fabricación.

c) Ingeniería térmica y diseño mecánico. Esencial para la eficiencia, rendimiento y confiabilidad. Usado en los sectores automotriz, aeroespacial y generación de energía como en motores, turbinas, sistemas de refrigeración y dispositivos de transferencia de calor.

d) Refrigeración y aire acondicionado. Para mantener las temperaturas deseadas y prevenir la perdida innecesaria de energía. Es importante para sistemas de almacenamiento en frío, refrigeración de transporte, etc.

e) Sistemas energéticos y tecnologías renovables. Para aumentar la eficiencia general del sistema como en colectores solares, sistemas geotérmicos y bombas de calor.

f) Electrónica e informática. Garantiza la longevidad del dispositivo y un rendimiento estable previniendo el sobrecalentamiento de componentes sensibles.

g) Ingeniería química y de procesos. Para mantener la estabilidad de la temperatura que impacta la calidad y seguridad del producto como en recipientes de reacción, tuberías y columnas de destilación.