Transferencia de la Energía

Principios Fundamentales de la Transferencia Energética

Una mejor comprensión de los procesos de transferencia energética requiere conocer, además de entre qué sistemas materiales ocurre —el emisor y el receptor—, la forma en que se transfiere. La respuesta física es muy sencilla: la energía de un sistema material solo se puede transferir mediante trabajo o calor. Si se realiza un trabajo sobre el sistema y/o se le proporciona calor, aumentará la energía del sistema; por ejemplo, cuando estiramos un muelle transferimos energía en forma de trabajo; cuando calentamos un vaso de agua transferimos energía en forma de calor. Por el contrario, si es el sistema el que realiza un trabajo o cede calor, la energía del sistema disminuye; por ejemplo, nuestra energía disminuye al estirar el muelle; la bombona de butano también disminuye su energía al calentar el agua. La relación entre energía, calor y trabajo para un sistema material se expresa con la ecuación:
ΔE = E₂ – E₁ = W + Q
donde:

• E₁: Energía del sistema en el estado inicial.
• E₂: Energía del sistema en el estado final.
• W: Trabajo realizado sobre el sistema (positivo) o por el sistema (negativo).
• Q: Calor aportado al sistema (positivo) o perdido por el sistema (negativo).

Tras esta sencilla respuesta se esconde un problema didáctico importante: el significado físico de los conceptos de trabajo y calor que, como hemos dicho, no responden a los significados cotidianos de esfuerzo realizado y temperatura elevada. El trabajo es una propiedad escalar que mide el cambio en la posición del sistema material cuando se aplica una fuerza; si la fuerza que aplicamos no modifica el reposo o movimiento del sistema, el trabajo es nulo (por ejemplo, realizamos un trabajo para levantar una caja, pero si la mantenemos levantada durante una hora, haremos un esfuerzo físico considerable sin realizar ningún trabajo físico); la fuerza puede ser mecánica, eléctrica, magnética, etc. El calor también es una propiedad escalar y mide la energía que se transfiere entre dos sistemas materiales que se encuentran a distinta temperatura; el calor siempre se transfiere del sistema de mayor temperatura al de menor temperatura hasta que estas se igualan, con independencia de que el sistema invierta esa energía en aumentar su propia temperatura, cambiar de estado, cambiar de composición, etc. Cómo se generan las fuerzas que realizan los trabajos sobre los sistemas y hacen aumentar su energía, o cómo se modifican las temperaturas para que el sistema reciba calor y aumente también su energía, nuevamente, tiene que ver con las interacciones que ocurren o provocamos entre los sistemas materiales.

Implicaciones Didácticas y Ejemplos para Educación Primaria

Obviamente, analizar los procesos de transferencia de energía atendiendo a cómo se transfiere (trabajo y calor) conlleva una mayor complejidad que no siempre está al alcance de los conocimientos escolares de los niveles educativos básicos, especialmente de la educación primaria; sin embargo, es importante que los profesores dispongan de los conocimientos científicos y didácticos que les permitan identificar dónde están los problemas para el aprendizaje comprensivo del tópico de la energía.

Los alumnos de Primaria pueden trabajar múltiples ejemplos que ilustran el proceso de transferencia de energía desde los primeros cursos:

• La energía de la red eléctrica se transfiere a las bombillas cuando se encienden, desprendiendo luz e iluminando la habitación.
• La energía del Sol se transfiere a las plantas, siendo imprescindible para que crezcan y podamos utilizarlas como alimentos, madera, medicamentos, etc.
• La energía de los alimentos se transfiere a los músculos que utilizamos para hacer esfuerzos y es necesaria para que funcionen todos nuestros órganos vitales.
• La energía de las olas del mar se transfiere a la costa, la erosiona lentamente o rompe violentamente la playa.
• La energía del agua caliente dentro de una bolsa sirve para calentar las sábanas y a nosotros cuando hace frío.
• La energía del motor se transfiere a algún aparato que se pone en marcha, mueve unas aspas que utilizamos, por ejemplo, para cortar alimentos.
• La energía del combustible hace funcionar el motor del coche que transmite su movimiento a las ruedas.
• La energía de la batería del coche que se utiliza para el alumbrado y el aire acondicionado del vehículo, etc.

La noción de transferencia de energía permite «seguir la pista a la energía»: si se ha transferido del sistema A al B y al C, sabremos que ahora se encuentra distribuida entre estos dos últimos sistemas. Esta perspectiva es necesaria para asumir la conservación y degradación de la energía simultáneamente, pues la energía no se pierde, pero en cada paso queda menos aprovechable, ya que se va utilizando para mover algo, calentar algo, deformar algo, iluminar algo, etc., hasta que finalmente no se puede utilizar más. El proceso de transferencia es muy útil para ayudar a los alumnos a construir el concepto de energía; de todos modos, debemos ser muy cuidadosos porque la idea de transferencia de energía favorece el concebir la energía como un fluido que va de un lugar a otro, al igual que el agua en una tubería, dotándola de una naturaleza material o misteriosa. Es inevitable que el alumnado construya sus imágenes mentales de los conceptos, y en particular de la energía, por ser esta tremendamente abstracta, pero debemos ser conscientes del modelo de energía que están construyendo para poder mediar con la enseñanza en mejorar progresivamente sus significados.

Hay que resaltar que el tratamiento anterior no ha incluido las formas en que aparece o desaparece la energía, es decir, la transformación de la energía. Este proceso puede abordarse de modo complementario, aumentando el nivel de análisis de los intercambios de energía entre los sistemas materiales, pero no resulta imprescindible como acabamos de ver.

Transformación de la Energía

El Concepto de Transformación y las Formas de Energía

Es común utilizar una idea de transformación de la energía que indicaría, según su nombre, un cambio de forma. Así, la idea de transformación significaría propiamente que la energía, cuando se transfiere, puede pasar de una forma a otra. Esta idea es coherente con los muchos términos utilizados para adjetivar la energía: luminosa, mecánica, radiante, cinética, potencial, química, nuclear, solar, eólica, fotovoltaica, térmica, elástica, eléctrica, etc. Esta abundancia de términos con los que se adjetiva la energía está justificada por los distintos marcos teóricos desarrollados por la ciencia y tecnología para estudiar la energía y las fuentes de energía. Sin embargo, tantas formas de energía contradicen la simplificación de la física sobre las posibles interacciones que pueden darse entre los sistemas materiales; también suponen un problema didáctico en los niveles básicos de enseñanza, pues no es coherente con la idea de energía como propiedad general de la materia, que hemos señalado como la más adecuada.

Energía Interna, Energía Externa y Energía Mecánica

Una primera solución a los problemas señalados pasa por aceptar que la energía de un sistema material en un momento dado es la suma de dos componentes: una energía interna y otra energía externa. La primera depende de la composición y estructura del sistema material, a nivel submicroscópico, y de su extensión; por ejemplo, la energía interna de 100 g de gas butano, 100 g de granito, 1 kg de alcohol, 1 kg de agua líquida y 1 kg de vapor de agua es diferente. La segunda depende de los cambios energéticos que se producen en el sistema como resultado de las interacciones; en el caso de que se trate del sistema receptor, los trabajos que se realicen sobre el sistema y el calor que reciba darán como resultado un balance neto favorable; por ejemplo, si se comprime el gas butano aumentando su presión, se lanza al aire la piedra de granito o se aumenta la temperatura del agua líquida, se proporciona energía externa al sistema. En esta situación pueden ocurrir dos cosas: que la energía externa modifique la energía interna inicial o que no la modifique. Se modifica la energía interna si las interacciones modifican la composición y/o estructura del sistema, algo que ocurre en todas las reacciones químicas y cambios de estado de la materia; también, cambia la energía interna cuando lo hacen las variables termodinámicas (presión, volumen y temperatura) o la posición de las cargas eléctricas. No cambia la energía interna si lo hace la posición del sistema material (posición y velocidad; forma).

Por razones de conveniencia, para analizar los cambios energéticos, se suman todas las interacciones que modifican la energía interna del sistema, quedando finalmente solo una energía externa denominada energía mecánica. Así, la energía del sistema material se expresa mediante la ecuación:
E = U + E_M = U + E_c + E_p
donde:

• U: Energía interna del sistema.
• E_M: Energía mecánica del sistema.
• E_c: Energía cinética del sistema.
• E_p: Energía potencial del sistema.

Como recoge la ecuación, la energía mecánica es la suma de dos energías: la cinética y la potencial. La energía cinética se debe a la velocidad del sistema en cada momento (E_c = 1/2 mv²). La energía potencial se debe a la posición del objeto como consecuencia de una interacción gravitatoria o elástica (E_p = mgh). Se considera que un objeto tiene una energía potencial gravitatoria nula cuando está sobre la superficie terrestre (h = 0) y un objeto elástico tiene una energía potencial elástica nula cuando no está deformado (Δx = 0) por ninguna fuerza. Así, la energía elástica es una energía mecánica, pero se prefiere utilizar ese término cuando se estudian los sistemas elásticos.

Manifestaciones de la Energía y Consideraciones Pedagógicas

Por su parte, cuando la energía interna del sistema cambia porque hay una reacción química se llama energía química; cuando es porque hay una variación de temperatura se llama energía térmica; cuando es porque hay un movimiento de cargas eléctricas se llama energía eléctrica; etc. También es posible interpretar todas estas formas de energía a nivel submicroscópico como diferentes formas de energía cinética y potencial de las partículas (átomos, moléculas e iones) que componen la materia, considerando solo dos tipos de energía, tanto a nivel interno como externo; esta idea resulta más coherente con el hecho de que sean solo dos las interacciones fundamentales, electromagnética y gravitatoria, que generan la mayor parte de los cambios de la materia. Añadiremos que, como resultado de interacciones nucleares (fuertes y débiles), cuando se produce la fisión, fusión o desintegración de los átomos también cambia la energía interna del sistema material, llamándose energía nuclear.

Desde estos planteamientos, un análisis completo de las transformaciones de energía requiere el conocimiento de los fenómenos físicos y químicos que modifican la energía interna y mecánica del sistema. Algunos ejemplos pueden ilustrar la diferencia entre ambos tipos de transformaciones:

• Cuando se comprime un gas con un émbolo, se calienta un líquido, se disuelve un sólido en agua, se produce una combustión, se cambia de estado, etc., cambia su energía interna.
• Por el contrario, no cambia la energía interna si damos una patada al balón, saltamos en una cama elástica, levantamos un paquete del suelo, golpeamos con un martillo un clavo, dejamos que el agua caiga desde una presa, hacemos que el aire choque contra las aspas, etc. En estos casos, los cambios de energía del sistema material se deben a cambios en la energía potencial y/o cinética, en la energía mecánica.

Hay que recordar que en todos los cambios de energía, tanto interna como mecánica, el balance energético podemos hacerlo entre dos momentos cualesquiera en función de nuestros intereses y del conocimiento que tengamos de los sistemas materiales que cambian, dando como resultado un mayor o menor seguimiento de las transformaciones energéticas que ocurren; así, cuando golpeamos con un martillo un clavo, durante el proceso aumenta la temperatura del clavo y del martillo cambiando la energía interna de ambos sistemas; sin embargo, esta energía finalmente se transfiere al entorno en forma de calor, haciendo que la energía interna inicial y final sean iguales. Un balance global de las transformaciones energéticas puede prescindir de la situación intermedia, considerando solo la energía mecánica que se pone en juego para realizar un trabajo (clavar la púa) y generar un calor que se disipa.

Obviamente, el tratamiento es idéntico para el sistema receptor y el emisor de energía. Así, cuando es el sistema material quien realiza el trabajo o aporta calor a otro sistema, por ejemplo los combustibles (sistema emisor) al medio ambiente (sistema receptor), los posibles cambios son los mismos. Precisamente, la identificación del sistema emisor es utilizada en muchas denominaciones de la energía, algo especialmente apropiado para estudiar las fuentes de energía; así, hablamos de energía solar, eólica, mareomotriz, hidráulica, geotérmica, nuclear, etc.; en otras ocasiones, los términos utilizados identifican el fenómeno físico-químico mediante el que se transfiere la energía, hablándose de energía radiante, fotovoltaica, química, luminosa, térmica, eléctrica, etc.

En la Educación Primaria, un análisis de las transformaciones de energía estará limitado por el conocimiento de los cambios físicos y químicos, y por sus consecuencias en la energía interna y mecánica del sistema. En cualquier caso, la interpretación de los cambios resulta compleja, debiendo aceptarse diferentes concreciones asociadas a la identificación de las fuentes (sol, viento, agua, alimentos, etc.) y fenómenos asociados al intercambio energético (movimiento, deformación, luz, calor, electricidad, sonido, etc.). Así, para explicar el funcionamiento de una linterna desde una interpretación energética podrá decirse que:

• La energía de la pila se transforma en energía luminosa.
• La energía de la pila se transforma en energía luminosa y térmica en la bombilla.
• La energía química de la pila se ha transformado en energía luminosa o térmica en la bombilla.
• La energía química de la pila se transforma en energía eléctrica y, al pasar por la bombilla, en energía luminosa y energía térmica en la bombilla y en el resto del circuito, etc.

El nivel de análisis será adecuado en tanto en cuanto los alumnos asocien fenómenos y términos coherentes con los conocimientos escolares que se les enseñen. El mayor inconveniente de utilizar la idea de transformación radica en que el alumnado construye un modelo de energía en el que hay tantas formas como nombres asignemos, lo que contradice la idea deseable de energía como una propiedad general de la materia. En este sentido, algunos autores (Pintó, 2004) dan mayor importancia a la idea de transferencia frente a la de transformación de la energía. Así, en el caso anterior, lo relevante sería entender que:

• La energía de la pila se transfiere a la lámpara haciendo que se ilumine.
• La energía de la pila se transfiere mediante una corriente eléctrica a la lámpara haciendo que se ilumine.
• La energía de la pila, al cerrar el circuito eléctrico, hace que se ilumine y se caliente la lámpara, etc.

Por ello, dado que resulta inevitable la idea de transformación de energía, se debería ser cuidadoso en asociar el término “forma” a los cambios que resultan de las interacciones en el sistema material objeto de estudio; es decir, las formas de energía no son energías diferentes sino diversas manifestaciones de la misma energía, dado que la energía siempre se conserva. Así, la energía térmica, mecánica, eléctrica, química, luminosa, etc., serían solo descripciones del fenómeno en el que se manifiesta la energía. Cuando se utilizan otros términos como solar, eólica, nuclear, geotérmica, biomasa, etc., se debería insistir en que son diversas fuentes de energía, es decir, formas de identificar el sistema material emisor de energía.

Generación de Energía Eléctrica: Centrales y Fuentes

Centrales Atmosféricas: Hidroeléctricas y Eólicas

Estas centrales utilizan la energía solar indirectamente, ya que se valen de la enorme cantidad de energía que genera la máquina atmosférica terrestre bajo la acción del Sol. Esta energía se manifiesta principalmente en el movimiento de masas de aire desde los centros de altas presiones a los de baja presión, y el continuo ciclo de evaporación, condensación y precipitación del agua. Al no necesitar la quema de combustible alguno, este tipo de centrales generan muy pocos residuos y pueden funcionar de manera indefinida, ya que no dependen de ningún recurso que se pueda agotar. No obstante, al depender de procesos atmosféricos aleatorios, su producción eléctrica es también impredecible. Por ejemplo, en los años de sequía la producción hidroeléctrica desciende drásticamente.

Centrales Hidroeléctricas

Una central hidroeléctrica es aquella en la que la energía potencial del agua almacenada en un embalse se transforma en la energía cinética necesaria para mover el rotor de un generador y, después, se transforma en energía eléctrica. Las centrales hidroeléctricas se construyen en los cauces de los ríos, creando un embalse para retener el agua; para ello se construye un muro grueso de piedra, hormigón u otros materiales, apoyado generalmente en alguna montaña. La masa de agua embalsada se conduce a través de una tubería hacia los álabes de una turbina que suele estar a pie de presa, la cual está conectada al generador. Así, el agua transforma su energía potencial en energía cinética, que hace mover los álabes de la turbina.

Una central eléctrica no almacena energía, sino que su producción sigue la demanda solicitada por los usuarios. Como esta demanda es variable a lo largo del día y con la época del año, las centrales eléctricas deberían poder funcionar con una producción variable, a pesar de que su eficacia aumenta si la producción es constante. La solución para almacenar la energía producida en horas de bajo consumo y usarla en momentos de fuerte demanda es mediante las centrales hidráulicas de bombeo. Estas centrales tienen dos embalses situados a cotas diferentes. El agua almacenada en el embalse superior produce electricidad al caer sobre la turbina, como antes se indicó, cubriendo las horas de fuerte demanda. El agua llega posteriormente al embalse inferior, momento en que se aprovecha para bombear el agua desde el embalse inferior al superior, utilizando parte de la energía eléctrica generada previamente en el embalse superior en horas de baja demanda.

Centrales Eólicas

El Sol también es la causa del movimiento de grandes masas de aire desde zonas de alta presión a zonas de baja presión. Esta energía eólica se puede capturar mediante grandes hélices o molinos, conectados a un rotor. La clave de la conversión de la energía contenida en el aire en movimiento giratorio está en un diseño muy cuidadoso, tanto de las palas de la hélice como del multiplicador, que convierte su rotación lenta en un giro muy rápido. El viento choca contra las palas y provoca diferencias de presión entre sus dos caras, haciendo girar su estructura. Es un proceso idéntico al que hace avanzar un avión gracias al giro de la hélice.

El engranaje multiplicador convierte el movimiento lento de la hélice en un giro rápido para activar el generador. El tamaño de las palas también está en relación con la cantidad de energía que producirá el molino. El emplazamiento de los molinos debe ser elegido cuidadosamente. Los mapas de potencialidad eólica marcan las zonas más adecuadas para la instalación de aerogeneradores que, por lo general, coinciden con las cumbres de montañas y sierras y con la costa.

Centrales Fotovoltaicas

El método más directo de obtener electricidad a partir del Sol es el de la conversión fotovoltaica, que consiste en convertir la energía solar en energía eléctrica por medio de células solares. Las centrales fotovoltaicas producen electricidad sin necesidad de turbinas ni generadores, utilizando la propiedad que tienen ciertos materiales de generar una corriente de electrones cuando incide sobre ellos una corriente de fotones. El resultado es la creación de un flujo de electrones excitados y, por lo tanto, un voltaje eléctrico. Este voltaje conseguido es muy pequeño, por lo que la solución consiste en conectar en serie un gran número de células para así alcanzar el voltaje que deseemos.

En la práctica, muchas instalaciones fotovoltaicas son pequeñas y se usan para propósitos específicos: por ejemplo, para apoyar el suministro eléctrico de una casa o para señalizaciones de carretera. Pero también existen algunas grandes instalaciones más o menos experimentales. En España, la central fotovoltaica de Toledo tiene una potencia de 1 MW (megavatio): 1000 veces menos que una gran central térmica, pero es una muestra de cómo está avanzando el uso de la energía fotovoltaica comercial. Numerosos laboratorios en todo el mundo trabajan para conseguir células capaces de convertir la luz del Sol en electricidad con el mayor rendimiento posible. A medida que el rendimiento aumenta y la fabricación de las células se abarata, la electricidad fotovoltaica se hará cada vez más competitiva en comparación con otras formas de producir electricidad.