derecha|miniaturadeimagen|559x559px|Transformación energética usando lenguaje de sistemas de energía
La transformación energética, transformación de la energía, conversión energética o conversión de la energía es el proceso de cambiar la energía de un tipo a otro. En física, la energía es una cantidad que proporciona la capacidad de realizar un trabajo (por ejemplo, levantar un objeto) o de transferir calor. Además de ser convertible, de acuerdo con 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 se puede utilizar en procesos naturales o para proporcionar algún servicio a la sociedad, como calefacción, refrigeración, iluminación o realización de trabajos mecánicos 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.
Principios fundamentales La transformación energética se rige por dos leyes fundamentales de la termodinámica:
Primera ley de la termodinámica (conservación de la energía): La energía total de un sistema aislado permanece constante. La energía puede transformarse de una forma a otra, pero no puede ser creada ni destruida.
Segunda ley de la termodinámica: En cualquier transformación energética, la entropía total del universo siempre aumenta. Esto implica que ninguna transformación energética puede ser 100% eficiente; siempre se disipa algo de energía como calor no aprovechable.
Limitaciones en la conversión de energía térmica Las conversiones a energía térmica desde otras formas de energía pueden ocurrir con un 100% de eficiencia (por ejemplo, el calentamiento por resistencia eléctrica). Sin embargo, la conversión inversa (de energía térmica a otras formas) está fundamentalmente limitada por la segunda ley de la termodinámica.
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 contrario; por ejemplo, un objeto en una órbita elíptica alrededor de otro cuerpo convierte su energía cinética (velocidad) en energía potencial gravitacional (distancia del otro objeto) a medida que se aleja de su cuerpo padre. Cuando llega al punto más alejado, revierte el proceso, acelerando y convirtiendo la energía potencial en cinética. Dado que el espacio es casi un vacío, este proceso tiene una eficiencia cercana al 100%.
La singularidad de la energía térmica La energía térmica es muy singular porque no se puede convertir completamente en otras formas de energía. Solo se puede utilizar una diferencia en la densidad de energía térmica (temperatura) para realizar trabajo, y la eficiencia de esta conversión será siempre inferior al 100%, según el límite de Carnot:
donde es la eficiencia máxima, es la temperatura del foco frío y es la temperatura del foco caliente (ambas en kelvin).
Esto se debe a que la energía térmica representa una forma de energía particularmente desordenada; se distribuye aleatoriamente entre muchos estados disponibles de una colección de partículas microscópicas que constituyen el sistema (estas combinaciones de posición y momento para cada partícula forman un espacio de fase). 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 la correspondiente energía más baja), 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 salida de energía entre todos los estados posibles porque no es completamente convertible a una forma "útil", es decir, una que pueda hacer algo más que afectar la temperatura.
Eficiencia de conversión en sistemas reales Para que la transformación de energía sea más eficiente, es deseable evitar la conversión a energía térmica intermedia. Por ejemplo:
La eficiencia de los reactores nucleares convencionales, donde la energía cinética de los núcleos se convierte primero en energía térmica y luego en energía eléctrica, es de alrededor del 35%. Mediante la conversión directa de energía cinética en energía eléctrica (por ejemplo, en generadores magnetohidrodinámicos o en sistemas de captura directa de carga), efectuada mediante la eliminación de la transformación de energía térmica intermedia, la eficiencia del proceso puede mejorar dramáticamente.
Historia de la transformación energética Las transformaciones de energía en el universo a lo largo del tiempo generalmente se caracterizan por varios tipos de energía que han estado disponibles desde el Big Bang, y que luego fueron "liberadas" (es decir, transformadas en tipos de energía más activos, como la energía cinética o radiante) por mecanismos desencadenantes.
Liberación de energía del potencial gravitacional Una transformación directa de 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 gravitacional se convierte directamente en calor. En Júpiter, Saturno y Neptuno, por ejemplo, el calor del colapso continuo de las grandes atmósferas de gas de los planetas continúa impulsando la mayoría de los sistemas climáticos de estos planetas. Estos sistemas, que consisten en bandas atmosféricas, vientos y tormentas potentes, solo son alimentados en parte por la luz solar. Sin embargo, en Urano, este proceso ocurre poco.
En la Tierra, una porción significativa de la producción 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 hacia un tamaño más pequeño, generando calor (calor remanente de la acreción y diferenciación planetaria).
Liberación de energía del potencial radiactivo Los ejemplos familiares de otros procesos similares que transforman la energía del Big Bang incluyen la desintegración nuclear, que libera energía que originalmente se "almacenó" 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 gravitacional liberada del colapso de las supernovas Tipo II para crear estos elementos pesados antes de que se incorporen a sistemas estelares como el sistema solar y la Tierra. La energía bloqueada 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 como calor.
Liberación de energía del potencial de fusión de hidrógeno En una cadena similar de transformaciones que comienza en los albores del universo, la fusión nuclear de hidrógeno en el Sol libera otra reserva de energía potencial que se creó en el momento del Big Bang. En ese momento, de acuerdo con la teoría, 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 un depósito de energía potencial que puede ser liberada por fusión nuclear. Tal proceso de fusión se desencadena por el calor y la presión generados por el colapso gravitacional de las nubes de hidrógeno cuando forman estrellas, y parte de la energía de fusión se transforma en luz estelar.
Teniendo en cuenta el sistema solar, la luz de las estrellas, abrumadoramente proveniente del Sol, puede almacenarse nuevamente como energía potencial gravitacional después de que golpea la Tierra. Esto ocurre en el caso de avalanchas, o cuando el agua se evapora de los océanos y se deposita como precipitación muy por encima del nivel del mar (donde, después de ser liberada en una presa hidroeléctrica, se puede usar para impulsar turbinas/generadores para producir electricidad).
La luz solar también impulsa muchos fenómenos climáticos en la Tierra. Un ejemplo es un huracán, que ocurre cuando grandes áreas inestables de océano cálido, calentadas durante meses, liberan repentinamente parte de su energía térmica para impulsar unos pocos días de violento movimiento aéreo. La luz solar también es capturada por las plantas como energía química potencial 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 como calor y luz puede ser provocada repentinamente 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 enzimática.
A través de todas estas cadenas de transformación, la energía potencial almacenada en el momento del Big Bang se libera más tarde por eventos intermedios, a veces se almacena 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.
Ejemplos de sistemas de conversión de energía
Central eléctrica de carbón Una central eléctrica a carbón implica las siguientes transformaciones de energía:
La energía química en el carbón se convierte en energía térmica en los gases de escape de la combustión. La energía térmica de los gases de escape se convierte en energía térmica del vapor a través del intercambio de calor. La energía térmica del vapor se convierte en energía mecánica en la turbina. La energía mecánica de la turbina se convierte en energía eléctrica por el generador, que es el rendimiento final.
En dicho sistema, los pasos primero y cuarto son altamente eficientes, pero los pasos segundo y tercero son menos eficientes. Las centrales eléctricas de gas más eficientes (ciclo combinado) pueden alcanzar una eficiencia de conversión del 60%. Las centrales de carbón y petróleo son menos eficientes (33-45%).
Motor de automóvil En un motor de combustión interna convencional se producen las siguientes transformaciones de energía:
La energía química en el combustible se convierte en energía cinética del gas en expansión a través de la combustión. La energía cinética del gas en expansión se convierte en movimiento lineal del pistón. El movimiento lineal del pistón se convierte en movimiento giratorio del cigüeñal. El movimiento giratorio del cigüeñal pasa al conjunto de la transmisión. El movimiento rotativo sale del conjunto de transmisión. El movimiento rotativo atraviesa un diferencial. El movimiento rotatorio pasa del diferencial a las ruedas motrices. El movimiento giratorio de las ruedas motrices se convierte en movimiento lineal del vehículo.
La eficiencia global de un motor de gasolina típico es de alrededor del 20-30%, mientras que los motores diésel alcanzan el 30-40%.
Panel solar fotovoltaico Un panel solar fotovoltaico implica una conversión más directa:
La radiación electromagnética (luz solar) se convierte directamente en energía eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico en las células semiconductoras. La eficiencia de los paneles solares comerciales típicos es del 15-22%.
Tabla de conversiones energéticas comunes