Sistemas Materiales y Energía: Transformaciones y Fuentes
español con un tamaño de 14,15 KBSistemas Materiales y Escalas de Observación
Un sistema es un conjunto de elementos organizados que interaccionan entre sí, capaces de utilizar una fuente de energía, y que proporcionan al propio sistema unas propiedades o características globales. Un sistema material es toda una porción del universo que aislamos e identificamos para que sea objeto de estudio.
Las dimensiones de las cosas van desde la escala global del Universo hasta las partículas submicroscópicas que componen la materia. Se suelen utilizar cuatro escalas de observación: astronómica (1021), macroscópica (100), microscópica (10-4) y submicroscópica (10-14).
1.1. La Energía de los Sistemas Materiales
La energía es la capacidad de los sistemas materiales para producir interacciones entre sus elementos que provocan las transformaciones o cambios.
Los cambios pueden ser:
- Cambios físicos: que pueden ser de varios tipos: De posición (los objetos materiales pueden cambiar de lugar), de forma (al aplicar una fuerza, un objeto puede cambiar de forma), de estado: la energía provoca cambios entre los estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso.
- Cambios químicos: unas sustancias, los reactivos, se transforman en otras, los productos, mediante reacciones químicas. Por ejemplo, el hierro reacciona con el oxígeno y forma óxido de hierro.
- Cambios geológicos: pueden transcurrir de una manera muy lenta, como la erosión y formación de las montañas; o en un corto periodo de tiempo, como las erupciones volcánicas o los cambios atmosféricos.
- Cambios biológicos: Unos tienen lugar en el transcurso de la vida de los organismos, como el crecimiento y el desarrollo de un embrión; otros, como la evolución de los seres vivos, transcurren en un largo periodo de tiempo.
1.2. Energía: Fuerza en Acción
Todos los sistemas materiales tienen algo en común: la energía. Todas estas formas de entender la energía tienen significado para nosotros; sin embargo, cuando los científicos hablan de energía se refieren a algo más concreto. Este es uno de los significados físicos de la energía: la capacidad para ejercer una fuerza y producir una acción o para modificar algo. Cuando se gasta energía o se traslada energía de un cuerpo a otro, se realiza trabajo.
La energía es la capacidad de los sistemas materiales para realizar trabajo; realizar trabajo significa que se ejerce una fuerza sobre un objeto y ese objeto se desplaza de una posición a otra.
Las dimensiones de los objetos van desde la escala astronómica hasta la submicroscópica, pasando por la macroscópica y por la microscópica.
2. Formas de Manifestarse la Energía
La energía se manifiesta de muchas formas y se llama de diferente manera según las acciones y los cambios que provoca o los fenómenos a los que se asocia.
Todas estas formas de manifestarse la energía, en realidad son manifestaciones de la energía cinética o de la energía potencial (que juntas forman la energía mecánica). La energía se mide en julios y se representa con la letra J. La energía puede manifestarse así:
- Energía interna: está asociada a la agitación de las partículas que tienen todos los cuerpos y se manifiesta mediante la temperatura: cuanto más caliente esté un cuerpo, mayor será su agitación y su temperatura.
- Energía eléctrica: está asociada a la corriente eléctrica y se manifiesta cuando los electrones se mueven por un circuito eléctrico entre cuyos extremos existe diferencia de potencial.
- Energía térmica: se asocia a la cantidad de energía de un objeto caliente a otro que está más frío y se manifiesta con calor.
- Energía química: está asociada a los compuestos químicos que la almacenan en su interior. Se pone de manifiesto en algunas reacciones químicas, como la oxidación.
- Energía electromagnética: se asocia con las radiaciones que viajan en forma de ondas electromagnéticas. Se pone de manifiesto con la luz, radiación infrarroja, etc.
- Energía nuclear: está asociada con las transformaciones de los núcleos de los átomos, que se fisionan o se fusionan. Se manifiesta cuando la materia se transforma en energía.
2.1. La Energía Cinética
La energía cinética es la energía que se manifiesta cuando los cuerpos se mueven; es energía en acción que depende de la masa de los objetos en movimiento y de la velocidad que adquieren.
2.2. La Energía Potencial
La energía potencial es un tipo de energía almacenada que está “a la espera” de realizar una acción; está asociada con la masa de los cuerpos y la posición que ocupan: elevados, comprimidos, etc.
3. Cambios de Forma
La energía necesaria para que tenga lugar una acción no se crea de la nada, sino que siempre procede de otra forma de energía que experimenta una transformación, y es durante las transformaciones cuando se ponen de manifiesto las distintas formas de energía.
3.1. Principio de Conservación de la Energía
Según el principio de conservación de la energía, en cualquier proceso de transformación de energía nunca se puede acabar ni con más ni con menos energía de la que había al principio.
El principio de conservación de la energía expresa que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Cuando una energía se transforma en otra, la energía que hay después de la transformación, es la misma que había al principio, es constante.
En las transformaciones de energía, no existe pérdida de energía, pero solo se conserva la cantidad y no la calidad. Después de transformarse, la energía se degrada, pierde calidad y puede utilizar menos trabajo. Las máquinas solo utilizan una parte de la energía que reciben, pues una parte se transforma en calor y ruido.
3.2. La Energía se Transfiere y se Propaga
Cuando el agua de un cazo hierve, es porque está caliente debido al calor que recibe del fuego. Pero también se pueden calentar cosas con unas ondas, llamadas microondas. Existe otra forma más de transferir energía de un cuerpo a otro: cuando se realiza trabajo.
La energía se transfiere o se propaga desde la posición que ocupa un cuerpo a otra, o desde un cuerpo a otro, en forma de calor, ondas o trabajo.
4. Las Fuentes de Energía
Las fuentes de energía son los fenómenos de la naturaleza o las sustancias de las que los seres humanos pueden extraer energía; unas son inagotables, las renovables; y otras agotables, las no renovables.
4.1. Las Energías No Renovables
Combustibles Fósiles
Las fuentes de energía como el carbón, el gas natural, el petróleo se llaman combustibles porque utilizamos la energía química que almacenan para generar calor durante su combustión y realizar trabajo. El carbón se originó por la transformación de los bosques en eras pasadas. El petróleo y el gas proceden de antiguos organismos microscópicos de los océanos. Por eso se llaman combustibles fósiles.
Energía Nuclear
En las centrales nucleares, el “combustible” son los átomos de uranio, que se dividen en un proceso de fisión nuclear. Este proceso genera residuos radiactivos que deben guardarse en las propias centrales o en cementerios nucleares.
En la fisión nuclear, una parte de la
masa de uranio se convierte en energía con forma de calor, que se utiliza para producir electricidad.
4.2. INCONVENIENTES DE LAS ENERGÍAS NO RENOVABLES
Se agotan, pues se cree que con el ritmo de consumo actual, queda carbón para unos 100 años y petróleo y gas natural para unos 50 años. Por eso no deben desperdiciarse porque empiezan a ser un bien escaso.
El otro inconveniente es que contaminan y que producen impacto ambiental.
IMPACTO AMBIENTAL DURANTE LA OBTENCIÓN DE ENERGÍAS NO RENOVABLES
La extracción de carbón y de petróleo generan impacto ambiental. Pues las explotaciones mineras contaminan los ríos y destruyen el paisaje.
IMPACTO AMBIENTAL DURANTE EL TRANSPORTE DE ENERGÍAS NO RENOVABLES
El transporte de petróleo se realiza en grandes petroleros, generalmente muy viejos y que pueden sufrir accidentes y causar mareas negras en mares y océanos. El transporte de uranio está expuesto a sufrir accidentes que causarían grave contaminación radiactiva.
IMPACTO AMBIENTAL DURANTE LA UTILIZACIÓN DE ENERGÍAS NO RENOVABLES
El carbón, el gas y el petróleo emiten gases a la atmósfera, entre ellos el dióxido de carbono, y es el principal responsable del efecto invernadero y óxidos de azufre, responsables de la lluvia ácida, que destruye bosques y la fauna de ríos y lagos.
El uranio de las centrales nucleares genera residuos altamente radiactivos y deben guardarse en las propias centrales o en cementerios nucleares porque su peligro perdura millones de años.
4.3. ENERGÍAS RENOVABLES, LIMPIAS O ALTERNATIVAS
Las fuentes de energía renovables son aquellas que la Tierra posee de forma inagotable, ya que se renuevan en cortos períodos de tiempo. Reciben el nombre de fuentesalternativas o limpias porque evitan el consumo de combustibles fósiles.
Biomasa: son restos orgánicos que se pueden obtener a partir de una gran diversidad de productos. Puede ser utilizada directamente, como la leña, o ser transformada en combustibles, como el biogás y el biodiésel.
Hidráulica: Se aprovecha la energía cinética de los saltos de agua. Pueden ser naturales, como las cascadas, o artificiales, como los embalses, que son depósitos de agua que se forma al cerrar la boca de un valle mediante una presa. El agua embalsada genera un desnivel de altura y acumula energía potencial gravitatoria, que se transforma la energía cinética en el salto de agua.
Eólica: se aprovecha la energía cinética del viento, que se transforma en energía eléctrica mediante grandes molinos en los que las aspas mueven las aeroturbinas. Generalmente forman parques eólicos, pues se colocan en grupos.
Solar: procede del sol y se utiliza mediante instalaciones solares que pueden ser de tipos: térmicas y fotovoltaicas.
Térmica: su funcionamiento se basa en el efecto invernadero y utiliza colectores o placas captadoras que recogen la radiación solar para calentar el líquido que circula por el interior de un tubo enrollado y aislado térmicamente del exterior. Se usan para producir agua caliente y para ayudar a las calefacciones.
Fotovoltaica: la luz se recoge en paneles fotovoltaicos, que son dispositivos donde la luz se convierte directamente en electricidad.
Maremotriz: el agua de los mares también posee energía cinética, pues el agua asciende y desciende varias veces al día durante las mareas. Este movimiento es utilizado para hacer girar turbinas y producir electricidad. La diferencia entre la pleamar y la bajamar debe de ser lo más grande posible.
Geotérmica: se emplea en países con actividad volcánica, donde se utiliza el calor interno de la Tierra para transformar el calor del agua y generar electricidad. También se puede utilizar el agua caliente para los circuitos de calefacción.
Fusión fría: el proyecto ITER es un consorcio internacional que intenta encontrar como producir energía en la Tierra, tal y como la produce el Sol. Los átomos de hidrógeno se fusionan a altísimas temperaturas para formar helio.
4.4. INCONVENIENTES DE LAS ENERGÍAS NO RENOVABLES
Elevado coste de las instalaciones.
Impacto ambiental: visual, acústico y paisajístico, como lo provocan la instalación de parques eólicos.
Discontinuidad o estacionalidad, ya que las energías alternativas dependen, en mayor parte, de los factores climáticos.