GUÍA BREVE
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50 TEMAS FUNDAMENTALES SOBRE ENERGÍA GENERACIÓN Y UTILIZACIÓN
Brian Clegg
GUÍA BREVE
50 TEMAS FUNDAMENTALES SOBRE ENERGÍA GENERACIÓN Y UTILIZACIÓN
Colaboradores Philip Ball Leon Clifford Simon Flynn Sharon Ann Holgate Andrew May Ilustraciones Steve Rawlings
Brian Clegg
Título original 30-Second Energy Edición Susan Kelly, Jamie Pumfrey Jenny Campbell, Tom Kitch Dirección creativa Michael Whitehead Dirección artística James Lawrence Diseño Ginny Zeal Ilustraciones Steve Rawling Traducción Ana Belén Barrio Fernández Revisión de la edición en lengua española Dr. Ing. Alfonso Rodríguez Arias Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2021 © 2021 Naturart, S.A. Editado por BLUME Carrer de les Alberes, 52, 2.º, Vallvidrera 08017 Barcelona Tel. 93 205 40 00 e-mail info@blume.net © 2018 Quarto Publishing plc, Londres I.S.B.N.: 978-84-18459-08-5 Impreso en China Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor.
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C008047
CONTENIDO
6 Prólogo 8 Introducción
12 Conceptos fundamentales 14 GLOSARIO 16 ¿Qué es la energía? 18 Calor 20 Energía cinética 22 Energía potencial 24 Perfil: James Prescott Joule 26 Energía química 28 Energía nuclear (I) 30 Masa-energía 32 Conservación de la energía
34 36 38 40 42 44 46 48 50 52
Energía natural GLOSARIO Gravedad Inflación cósmica Dentro de una estrella Los seres vivos Energía oscura Perfil: Alan Guth Energía del punto cero ¿De dónde surgió todo?
54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74
76 Transmisión de la energía 78 GLOSARIO 80 Conducción térmica 82 Convección 84 Radiación 86 Perfil: Heike Kamerlingh Onnes 88 Transporte de productos químicos 90 Láseres 92 Transmisión por cable 94 Superconductores
Almacenamiento de la energía GLOSARIO Trifosfato de adenosina Carbón Petróleo Fisión Fusión Perfil: Alessandro Volta Hidroeléctricas reversibles Pilas de combustible Baterías
96 Conversión de la energía 98 GLOSARIO 100 Oxidación 102 Combustión 104 Combustión externa 106 Combustión interna 108 Electromagnetismo 110 Electrodinámica cuántica 112 Perfil: Charles Algernon Parsons 114 Turbinas
116 Opciones ecológicas 118 GLOSARIO 120 Biocombustibles 122 Energía solar 124 Energía eólica 126 Energía hidroeléctrica 128 Perfil: William Thomson, lord Kelvin 130 Energía de las olas (undimotriz) 132 Energía geotérmica 134 Energía nuclear (II) 136 138 140 142 144 146 148 150 152
Energía y entropía GLOSARIO ¿Qué es la entropía? La segunda ley El desorden creciente El sistema cerrado El demonio de Maxwell Perfil: Ludwig Boltzmann El ciclo vital del universo
154 156 158 160
Fuentes Colaboradores Índice Agradecimientos
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA tema en 30 segundos La energía ni se crea ni se destruye; RESUMEN EN 3 SEGUNDOS
Ni se puede fabricar energía ni se puede eliminar: solo es posible transformarla de una forma a otra.
PENSAMIENTO EN 3 MINUTOS
La conservación de la energía es una de las leyes fundamentales de conservación de la física. El momento lineal también se conserva. Esto explica que al golpear una bola de billar pueda hacerse rebotar contra una tercera. El momento angular es otra cantidad que se conserva y es la razón por la que los patinadores giran más rápido si acercan los brazos al cuerpo. Se trata de algunas de las manifestaciones de las relaciones matemáticas profundas que implican la existencia de simetrías en las ecuaciones que describen la realidad.
32 g Conceptos fundamentales
se conserva y, simplemente, puede transformarse y adoptar formas diferentes. Esta es una ley fundamental de la física. Debido al hecho de que la masa equivale a la energía, podemos considerar la masa una forma de energía o reformular esta ley para hacer referencia a la conservación de la equivalencia masa-energía; la conclusión es la misma. La ley de conservación de la energía afirma que la cantidad total de energía (incluida la masa) en un sistema cerrado o aislado se conserva en el tiempo; es decir, permanece constante. Entonces, la energía que contiene el combustible quemado por el motor de combustión interna de un automóvil se transformará en la energía cinética del movimiento del mismo, en el calor que irradia el motor, en la fricción de los neumáticos con la carretera, en el ruido que genera el vehículo y en el movimiento de los gases de escape, así como en la vibración de la carrocería y en otras emisiones de energía, y, si medimos con precisión todas estas formas distintas de energía que surgen de un automóvil, veremos que el total coincide exactamente con la cantidad de energía química liberada del combustible: ninguna desaparece ni aparece misteriosamente.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también ¿QUÉ ES LA ENERGÍA? página 16 MASA-ENERGÍA página 30 INFLACIÓN CÓSMICA página 40
MINIBIOGRAFÍAS WILLIAM RANKINE
1820-1872
Ingeniero escocés que desarrolló la idea de que la energía se conserva incluso cuando se transforma: por ejemplo, de energía potencial a cinética. EMMY NOETHER
1882-1935
Matemática alemana que demostró que las leyes de conservación surgen de la simetría.
TEORÍA EN 30 SEGUNDOS Leon Clifford
En un péndulo, la energía se transforma de potencial a cinética y además genera calor; en resumidas cuentas, la energía se conserva.
CONDUCCIÓN TÉRMICA tema en 30 segundos Cuando revolvemos un café caliente RESUMEN EN 3 SEGUNDOS
El calor es conducido a través de los sólidos por medio de vibraciones atómicas y electrones libres, los cuales abundan en los buenos conductores eléctricos y los hacen asimismo buenos conductores térmicos. PENSAMIENTO EN 3 MINUTOS
La conducción ayuda a transferir calor de un fluido (líquido o gaseoso) a otro en el interior de un intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor ahorran energía mediante la utilización del calor residual (como el que generan las máquinas o las calderas) para calentar edificios o vehículos. En el interior de los modelos más sencillos, un fluido circula por una tubería mientras el otro pasa alrededor de la parte exterior de dicha tubería; y, si bien el calor se transfiere dentro de cada fluido por convección, la conducción transfiere calor a través de la pared de la tubería.
80 g Transmisión de la energía
con una cucharilla metálica sentimos los efectos de la conducción térmica. El calor es conducido desde la parte de la cucharilla en contacto con el líquido caliente hacia la parte que se encuentra fuera que, inicialmente, está fría. La conducción se produce debido a la vibración de los átomos de la cucharilla y al movimiento de los electrones en el interior del metal. El calor hace que los átomos de un sólido vibren en su posición normal, y vibrarán más cuanto mayor sea la temperatura. Dado que los átomos de los sólidos se encuentran unidos por medio de enlaces interatómicos, las vibraciones de las zonas calientes pasarán de un átomo a otro a través del sólido y transferirán así el calor. Se trata de un proceso relativamente lento en comparación con la conducción de la energía térmica por los electrones libres, los cuales adquieren energía cinética (energía causada por el movimiento) del calor y, cuando se trasladan a una zona más fría y colisionan con un átomo, dicha energía se transforma en energía de vibración y aumenta la temperatura de esa zona. Los electrones libres se mueven deprisa, por lo que este método de transmisión térmica es más rápido. Los metales son particularmente buenos conductores debido a que contienen una gran cantidad de electrones libres: las aleaciones de aluminio y cobre, por ejemplo, se utilizan en electrónica para conducir el calor hacia el exterior de los procesadores y evitar así un mal funcionamiento por sobrecalentamiento.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también CALOR página 18 ENERGÍA CINÉTICA página 20 TRANSMISIÓN POR CABLE página 92
MINIBIOGRAFÍAS DANIEL GABRIEL FAHRENHEIT
1686-1736
Físico alemán que fabricó el primer termómetro de mercurio en 1714. ANDERS CELSIUS
1701-1744
Astrónomo sueco que en 1742 concibió una escala de temperatura en la cual cero grados era la temperatura de ebullición del agua y 100 la temperatura a la que se derrite el hielo. Estos puntos fijos se intercambian en la escala Celsius que utilizamos en la actualidad.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Sharon Ann Holgate
Los electrones relativamente libres de los metales los convierten en buenos conductores térmicos que ayudan al calor a escapar de una fuente caliente.
¿QUÉ ES LA ENTROPÍA? tema en 30 segundos Se suele definir la entropía como RESUMEN EN 3 SEGUNDOS
La entropía mide el número de estados diferentes que puede ocupar un sistema y es la razón por la que siempre se pierde algo de energía en máquinas y motores. PENSAMIENTO EN 3 MINUTOS
Hasta los agujeros negros tienen entropía. Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo con campos gravitatorios tan intensos que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de los mismos. Los físicos Stephen Hawking y Jacob Bekenstein demostraron que la entropía es proporcional al área superficial del horizonte de sucesos (la frontera) de un agujero negro; es decir, cuantas más cosas engulla un agujero negro, más grande se hará y más se expandirá, con lo que aumentará el área superficial de su horizonte de sucesos y, con ella, su entropía.
140 g Energía y entropía
la medida del desorden de un sistema: a mayor entropía, mayor desorden. Es la razón por la cual no toda la energía se puede transformar en trabajo útil y siempre se «pierde» algo de energía en las máquinas; por ejemplo, un automóvil desperdicia energía calentando el motor, generando ruido y produciendo vibraciones de la carrocería en lugar de utilizarla para propulsarse. La entropía es un concepto estadístico que describe un sistema como un todo en lugar de describir sus componentes individuales. Podemos medir el volumen, la temperatura, la presión y la energía de un sistema y calcular su entropía incluso si no sabemos exactamente cómo se mueven todos los átomos y moléculas de su interior. A diferencia de la energía, la entropía puede ser creada: es una medida de todas las maneras posibles en que un sistema se puede organizar a nivel microscópico. Cuantas más partículas haya en el interior de un sistema o más se expanda el espacio disponible en que las mismas pueden moverse o si aumenta la energía del interior del sistema, tanto mayor será el número de posibles estados diferentes del mismo y mayor será la entropía. Las máquinas funcionan limitando el número de estados posibles (la entropía) en su interior, lo que significa que debe escapar algo de entropía llevándose consigo energía en forma de ruido, vibración o calor desperdiciado, por ejemplo.
TEMAS RELACIONADOS
Véanse también LA SEGUNDA LEY página 142 EL DESORDEN CRECIENTE página 144 EL SISTEMA CERRADO página 146
MINIBIOGRAFÍAS RUDOLF CLAUSIUS
1822-1888
Físico alemán que fue el primero en describir matemáticamente la inevitable disipación de energía a la que bautizó como entropía. LUDWIG BOLTZMANN
1844-1906
Físico austríaco que afianzó el concepto de entropía en términos estadísticos y mostró que el desorden tiende a un máximo.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Leon Clifford
La entropía puede reducirse, pero siempre a costa de la energía: en una máquina en la que se limite la entropía, siempre se perderá energía en el proceso.
¿qué es la energía? calor energía cinética energía potencial energía química energía nuclear (i) masa-energía conservación de la energía gravedad inflación cósmica dentro de una estrella los seres vivos
¿Sabe distinguir la fisión de la fusión? Seguro que ha oído hablar de la teoría de la relatividad de Einstein y de su ecuación análoga E = mc2, pero ¿de verdad comprende lo que significan? Ahora que la energía renovable es un tema candente, no está de más equiparse con las cincuenta teorías e innovaciones más representativas para poder participar en cualquier debate sobre esta fuerza esencial del universo.
energía oscura energía del punto cero
¿de dónde surgió todo? trifosfato de adenosina carbón petróleo fisión fusión hidroeléctricas reversibles pilas de combustible baterías conducción térmica convección
50 temas fundamentales sobre energía traza los temas esenciales más fascinantes de este fenómeno ubicuo. Explore la energía del modo más comprensible, con ejemplos; descubra cómo esta no puede crearse ni destruirse, solo transformarse, y cómo se utilizan el plancton y otros organismos oceánicos para alimentar automóviles. Desde el reactor de fusión nuclear que se encuentra en el interior del Sol a la huidiza energía oscura que compone la mayor parte del universo, cada uno de los temas se presenta condensado en tan solo medio minuto y en un máximo de dos páginas, trescientas palabras y una imagen.
radiación transporte de productos químicos láseres transmisión por cable superconductores oxidación combustión combustión externa combustión interna electromagnetismo electrodinámica cuántica turbinas biocombustibles energía solar energía eólica energía hidroeléctrica energía de las olas (undimotriz) energía geotérmica energía nuclear (ii)
¿qué es la entropía? la segunda ley
C008047
el desorden creciente el sistema cerrado
ISBN 978-84-18459-08-5
el ciclo vital del universo
9 788418 459085