1. INTRODUCCIÓN
En el presente tema abordaremos el estudio de la energía desde un doble aspecto. Por un lado, estableceremos los conceptos (energía interna, trabajo termodinámico, entropía…) y principios termodinámicos que rigen la conservación, transformación y degradación de La energía de un sistema, partiendo de la equivalencia trabajo-calor. Por otro lado, trasladaremos las implicaciones que estos conceptos y principios tienen en otros ámbitos, especialmente en el biológico y en el del aprovechamiento tecnológico de Las distintas formas de energía.
Por ello, comenzamos hablando del concepto de energía, sus diversas fuentes y la justificación de diversas unidades de medida. A continuación exponemos, desde su evolución histórica, la equivalencia entre trabajo y calor como formas de energía. Esta equivalencia nos dará paso al Principio de Conservación o Primer Principio de la Termodinámica. Mediante el Segundo Principio expondremos Las posibles transformaciones de La energía, para Llegar, por sucesivas transformaciones, al concepto de energía degradada.
Otros aspectos que completan este tema son Las diversas formas de transmisión del calor (conducción, convección y radiación) y sus efectos, de Los que se han escogido aquellos que tienen que ver con La transformación del calor en energía eléctrica, si bien se ofrece un esquema general que incluye otros efectos. Finalmente, se introduce el concepto de movimiento ondulatorio como forma de propagación de energía sin transporte de masa, tomando sus dos ejemplos más representativos: la luz y el sonido.
2. LA ENERGÍA
El concepto introducido por William John Macquorn Rankine, aunque originalmente se le dio el nombre de “fuerza” a lo que hoy se entiende como energía. Se distinguieron cinco tipos de “fuerzas”: de la posición, del movimiento, del calor, eléctrica y química.
La energía entró en el ámbito científico asociada al movimiento, y se incorporó
de forma definitiva a las teorías científicas a través del “Principio de conservación”,
hasta principios del siglo XX, se mantuvo una estricta separación entre materia y
energía. Ambas se consideraban complementarias pero independientes y sujetas cada una a sus propios principios de conservación: el de la energía, debido a Josep-Louise Lagrange, Julius Mayer y James Joule; y el de la materia, debido a Antoine Lavoisier.
Pero el descubrimiento de la radiactividad a finales del siglo XIX por el francés Antoine-Henri Becquerel planteó problemas a la independencia entre ambos principios.
Fue Albert Einstein quien a principios del siglo XX estableció la equivalencia entre
materia y energía (E = mc2) como una sola realidad.
2.1. Diversas fuentes de energía
Las fuentes de energía pueden clasificarse usando vados criterios:
– Por origen en fuentes de energía externas que serán aquellas que provienen de fuera del planeta como por ejemplo las reacciones nucleares del Sol o la energía potencial gravitatoria de los planetas cuya consecuencia son las mareas. Y fuentes de energía internas o locales cuyo origen son las reacciones nucleares, las reacciones químicas de combustibles fósiles o el calor acumulado en el interior del planeta.
– Por velocidad de renovación en fuentes de energía renovables, aquellas que
se consideran inagotables ya que su tasa de regeneración es menor de 50 años o por llegar a nuestro planeta de forma continua como consecuencia de la radiación solar; algunos ejemplos son la energía solar, la eólica
– Por incidencia en la economía mundial tendremos las llamadas energías
convencionales, aquellas usadas en mayor proporción para dar energía en un pais. Y las no convencionales o alternativas que son aquellas utilizadas en menor proporción en la obtención de energía en los diferentes países
– Por utilización podemos clasificar a las fuentes de energía en primarias que se obtienen directamente de la naturaleza como el carbón, el petróleo, la madera, etc. Y en secundarias que se obtienen a partir de un proceso de transformación como ocurre con la electricidad o la gasolina.
2.2. Unidades
Como una de las manifestaciones de la energía es la capacidad para realizar un trabajo, el valor de este trabajo será una medida de la energía que posee un sistema.
En el Sistema Internacional de unidades (S.I.), la unidad de trabajo y de energía es J definido como el trabajo realizado por la fuerza de un newton cuando desplaza su punto de aplicación un metro
En física cuántica se utiliza como unidad el electronvoltio (eV), definido como la energía que adquiere un electrón al pasar de ún punto a otro entre los que existe una diferencia de potencial de un voltio. La relación entre ambas unidades es: 1 eV= 1,602 x 10-19 J
Para la energía eléctrica se emplea corno unidad de producción el kilovatio-hora (kW-h), que es el trabajo realizado durante una hora por una máquina cuya potencia es igual a un kilovatio. De nuevo, la relación entre esta unidad y la del S.I. es: 1 kW-h=36 x 105 J
En calorimetría se utiliza como unidad la caloría (cal), definida como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado la tª de un gramo de agua, cuya reacción con el S.I. es: 1 cal = 4,186 J
Fuera del ámbito estricto de la Física, resultan útiles otras unidades que nos ayudan a evaluar comparativamente la calidad energética de las distintas fuentes de energía. Estas unidades se basan en el poder calorífico y son de especial interés con las fuentes primarias de energía, algunas unidades son:
– kcal/kg, para combustible nos indica el número de kilocalorías que
obtendríamos en la combustión de 1 kg de ese combustible.
– tec: tonelada equivalente de carbón. Representa la energía liberada por la
combustión de una tonelada de carbón de hulla. 1 tec=29,3 x 109 J
– tep: tonelada equivalente de petróleo. Representa la energía liberada por la combustión de una tonelada de crudo de petróleo. 1 tep = 41,843 x 109 J
3. TRABAJO Y CALOR, PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
3.1. Antecedentes
El Principio de la conservación de la energía desde un punto de vista puramente dinámico aplicado a algunos casos típicos presenta cierta contradicción, puesto que aparentemente no se cumple. Este principio de conservación fue establecido por Gottfried Wilhem Leibniz en 1693 haciendo referencia, únicamente, a la conservación de las energías potencial y cinética de un sistema situado en el campo gravitatorio terrestre. En la realidad lo que sucede es que parte de la energía mecánica se disipa, por los rozamientos, transformándose en calor. Estos hechos nos hacen comprender que la mayor parte de los fenómenos mecánicos no son simplemente dinámicos, sino que hay que considerarlos desde un punto de vista más amplio, desde un punto de vista termodinámico, en virtud de esa posibilidad real de que el trabajo se transforme en calor.
Fue el científico Benjamín Rumford quien primero estableció las bases de la relación entre calor y trabajo mecánico, a finales del siglo XVIII. Anteriormente se creía que el calor era un fluido invisible e imponderable llamado “calórico” que se producía cuando una sustancia se quemaba y que podía transmitirse por conducción de un cuerpo a otro. Sin embargo, B. Rumford observó que al tornear un cañón, el calor que se generaba dependía exclusivamente del trabajo mecánico realizado. Este proceso respondía, a la transformación de la energía de una forma a otra. Hoy diríamos que la energía mecánica se transformaba en calor y que el proceso constituía un ejemplo del Principio de Conservación de la energía.
Posteriormente fue James Joule quien en 1843 publicó los resultados de medidas precisas realizadas sobre la equivalencia entre energía mecánica y calor, demostrando que cada vez que una determinada cantidad de energía mecánica se transformaba en calor se obtenía siempre la misma cantidad de éste, con lo que quedó definitivamente establecida la equivalencia entre calor y trabajo como dos formas de energía y sentó las bases de la que más tarde se conoció como Primera Ley de la Termodinámica.
3.2. El equivalente mecánico del calor
La energía en forma mecánica se mide normalmente en julios, la energía en forma calorífica se mide en calorías. Puede hallarse la equivalencia entre ambas unidades caloríficas y mecánicas mediante una experiencia que llevó a cabo el propio J. P. Joule, en la cual una cantidad medida de energía mecánica se transformaba en una cantidad medida de calor. Para ello utilizó un aparato en el cual unas pesas al caer hacían girar un conjunto de poleas dentro de un recipiente con agua. La energía transformada se midió en unidades mecánicas, conociendo el peso de los cuerpos y su descenso, y en unidades de calor a partir de la masa de agua y su elevación de la temperatura. En métodos más recientes y precisos la energía eléctrica se convierte en calor al atravesar una resistencia sumergida en agua. Los resultados obtenidos dieron la siguiente equivalencia ya vista en las unidades. 1 cal = 4,186 J. La relación que se expresa diciendo que el equivalente mecánico del calor es de 4,186 julios/cal.
3.3. Generalización. Sistema termodinámico, energía interna y trabajo termodinámico
Desde un punto de vista microscópico, un sistema termodinámico no es más que un conglomerado integrado por muchas individualidades. Éste sistema puede ocupar una determinada posición en un campo de fuerzas (eléctrico, gravitatorio, etc), o moverse (traslación, rotación, vibración, etc) como un todo o como un conjunto de individualidades, que además pueden interaccionar entre sí. Por cada forma de moverse, estar o interaccionar el sistema presenta una determinada energía, y el total de esa energía se denomina energía interna del sistema termodinámico y se representa con el símbolo U.
Cuando un sistema termodinámico cerrado como el descrito interacciona con sus alrededores o con otro sistema ocurre un intercambio energético que puede suceder de dos modos diferentes:
– Por transmisión de energía con variación de algún parámetro externo del sistema (p.e., presión, tracción, etc), o debido a la acción de fuerzas que se desplazan. A
la energía transmitida por este método se le denomina trabajo.
– Por intercambio energético, sin variación de los parametros externos, debido a
una diferencia de temperatura, es decir, por interacción térmica. En este caso, a
la energía transmitida se le denomina calor.
La primera conclusión a obtener es que energía interna, calor y trabajo son una misma cosa: energía, si bien debemos matizar que tanto el calor como el trabajo son, por así decirlo, energías en transferencia de un sistema a otro. En consecuencia, los cuerpos no tienen calor ni tienen trabajo, sólo tienen energía. Por otra parte, hay que hacer notar que hemos introducido un nuevo concepto de trabajo, mas amplio que el trabajo mecánico, puesto que hemos denominado trabajo a la energía que es transferida de un sistema a otro como consecuencia de una variación de los parámetros externos del sistema. Esta es la definición termodinámica del trabajo, que no fue puesta de manifiesto en los primeros experimentos sobre la equivalencia calor-trabajo
4. TRANSFORMACIÓN, CONSERVACIÓN
Existe una Ley general de conservación y transformación de la energía que gobierna todos los procesos naturales conocidos hasta la fecha sin excepción alguna y cuyo enunciado afirma que “la energía se conserva durante cualquier proceso que suponga el paso de energía de una forma a otra”. Esta ley presenta dos aspectos:
– Punto de vista cuantitativo, afirma que la energía de un sistema aislado es una cantidad constante. Este aspecto es el que da lugar al Primer principio de la Termodinámica.
– Punto de vista cualitativo, considera la posibilidad de conversión, sin discontinuidad, de una forma de energía en otra. Este aspecto da origen al Segundo principio de la Termodinámica.
Un último aspecto a considerar, que es consecuencia de las sucesivas transformaciones de la energía, es el de la calidad de la energía en sus diversas formas. Veremos cómo la energía pierde su capacidad para originar trabajo útil conforme se transforma, es decir, sufre una degradación. Esta idea está contenida en el concepto de entropía.
Un ejemplo de los conceptos de conservación, a la vez que sucesiva transformación y degradación es el siguiente: la energía de un salto de agua se aprovecha para mover una turbina y producir energía eléctrica, que se convierte en calor en un radiador eléctrico, el cual es la forma de energía más degradada.
4.1. Primer principio de la Termodinámica. Conservación de la energía
El estudio de fenómenos en los que simultáneamente se pone en juego energía mecánica y energía térmica condujo a unificar los enunciados parciales de la Ley de la conservación de la energía referidos a interacciones térmicas y mecánicas en uno sólo, afirmando que “en dichos fenómenos la energía total se conserva. Otra forma de enunciar esta ley es diciendo que “la energía ni se crea ni se destruye, únicamente la denominamos de formas distintas, unas veces como calor, otras como trabajo mecánico, eléctrico, etc.”.
Para la formulación matemática de este principio, consideremos un sistema que recibe cierta cantidad de energía en forma de calor y realiza un trabajo termodinámico. Por ambas causas, el sistema cambia de estado, y por ello varía su energía interna. Esta variación es igual a la suma algebraica del calor intercambiado y del trabajo realizado. Ahora bien, en Termodinámica se considera como criterio que el trabajo es positivo cuando es realizado por el sistema contra el medio que lo rodea (negativo en caso contrario), mientras que el calor es positivo cuando lo absorbe el sistema (negativo en caso contrario). Con todo ello resulta que ΔU=U2-U1=Q-W expresión en la que U1 y U2 son las energías internas en el estado inicial y final de la transformación y Q y W las cantidades de calor y de trabajo (expresadas en las mismas unidades energéticas) puestas en juego durante el proceso. Si el sistema evoluciona de forma cíclica o cerrada (si U1=U2), nos encontramos ante un sistema aislado (incapaz de perder o ganar energía) en el que Q = W
Lo cual nos lleva a otra formulación interesante de este primer principio: “es imposible construir una máquina que produzca trabajo sin consumir una cantidad equivalente de calor”. Una máquina que no cumpliera este principio se llamaría móvil perpetuo de primera especie, es decir, una máquina que pudiera trabajar indefinidamente sin consumir combustible o suministro alguno procedente del exterior.
4.2. Segundo principio de la Termodinámica. Transformación de La energía
El Primer principio de la Termodinámica no es suficiente para gobernar los procesos físicos, pues no proporciona información acerca del modo de dar energía en forma de calor y obtener trabajo, o viceversa. Un ejemplo que pone de manifiesto esta falta de información sería el siguiente: consideramos como sistema un reloj de cuerda. De acuerdo con el Primer principio, su energía interna (capacidad para mover mecánicamente las manecillas) podría aumentarse, bien cediéndole calor (Q>0)5 o bien realizando un trabajo contra el mismo (W<0). Sin embargo, a nadie se le ocurriría calentar un reloj en vez de darle cuerda.
Por tanto, la pregunta a plantear se refiere a cuál es la evolución espontánea de los procesos físicos en los que se produce la transformación de la energía, puesto que parece claro que los procesos suceden en un sentido y muy difícilmente, o incluso imposible, en el sentido contrario. Volviendo al ejemplo anterior, ¿puede el calor convertirse en energía mecánica, y en qué proporción? La experiencia nos dice que el trabajo puede pasar a incrementar de forma directa cualquier tipo de energía (cinética, potencial, eléctrica, magnética, térmica), mientras que el calor sólo puede incrementar directamente la energía térmica de un sistema. Sin embargo, de forma indirecta es posible convertir parcialmente una determinada cantidad de calor en cualquier otro tipo de energía del sistema. Esta es la idea central del Segundo principio de la Termodinámica, que fue enunciado de diversas formas por los científicos Nicholas Leonard Carnet, William Thompson Kelvin y Clausius Clausius.
Así, para la transformación del calor en trabajo es necesario como mínimo la presencia de tres sistemas termodinámicos:
– Un sistema que proporcione calor (fuente térmica).
– Un sistema que reciba esa energía en forma de calor y proporcione energía en
forma de trabajo (sistema activo)
– Un sistema o sistemas que reciban la energía en forma de trabajo y calor del
sistema activo (refrigerante).
El enunciado de W. T. Kelvin afirma que es imposible construir una máquina térmica que, funcionando cíclicamente, convierta en trabajo toda la energía que recibe de una fuente térmica en forma de calor. Esta máquina recibe el nombre de móvil perpetuo de segunda especie. Un ejemplo de tal máquina sería un trasatlántico que, tomando el agua del mar, extraería su calor para mover los motores, arrojando al mar los bloques de hielo resultantes.
4.3. Concepto de entropía. Degradación de la energía
Supongamos que en una habitación herméticamente cerrada hay un vaso con alcohol, otro con agua caliente y un reloj en marcha. Las paredes de la habitación están térmicamente aisladas, de forma que dicha habitación constituye un sistema aislado que mantiene constante su energía interna. Al cabo de unos días, el alcohol se ha evaporado, el agua está fría y el reloj parado. La energía interna sigue siendo la misma y, no obstante, sufrió un proceso de degradación.
De modo general puede afirmarse que todo cambio irreversible que conduzca a una mayor uniformidad, ya sea por igualación de temperaturas (vaso de agua), de presiones (vaso de alcohol) o por conversión de movimientos ordenados (péndulo del reloj) en caóticos (agitación de las moléculas gaseosas de la habitación), y en general todo cuanto represente igualación de diferencias, lleva consigo una disminución de las posibilidades de utilización de esa energía ya que implica su degradación. Por ejemplo, antes de verificarse el proceso, el agua caliente pudo haber sido aprovechada para realizar un trabajo mediante una máquina térmica adecuada, mientras que al igualarse las temperaturas desapareció esa posibilidad.
Resulta entonces que la calidad de la energía de un sistema no depende tan sólo del valor intrínseco de su energía interna y materia, sino de algo más que podríamos expresar como su grado de ordenación. Así pues, introducimos el concepto de entropía como una medida del desorden que experimentan de forma espontánea todos los sistemas en su evolución. Al igual que la energía interna, la entropía es una magnitud que puede utilizarse en la descripción de los fenómenos termodinámicos, siendo al igual que la energía interna, una magnitud de la que sólo pueden medirse sus variaciones.
En el ejemplo propuesto de la habitación, las transformaciones energéticas cesaron al alcanzarse el equilibrio termodinámico. En este estado, el valor de la entropía del sistema es máximo. De igual modo, el Universo considerado en su conjunto es un sistema aislado al que son aplicables todas las consideraciones anteriores. Su entropía aumenta constantemente, y cuando alcance un valor máximo habremos llegado a una situación de equilibrio de la que no podrá obtenerse ninguna transformación posterior. Esto es lo que se conoce como muerte térmica del Universo. Su significado es que las posibilidades efectivas de obtener energía aprovechando las diversas fuentes a nuestro alcance van en continua disminución. Por una parte, y de acuerdo con el Segundo principio, para obtener trabajo es necesario un proceso en el que un sistema “caliente” ceda su calor a un sistema “frío”, uniformándose progresivamente las temperaturas de ambos y reduciendo, por tanto, el rendimiento del proceso, que se anula cuando ambas temperaturas se igualan. Por otra parte, en toda transformación energética hay, inevitablemente, una parte que se transforma en calor, que es la forma menos “utilizable” de energía debido, precisamente, al propio proceso de obtención de trabajo. Como conclusión teórica, la muerte térmica del Universo se producirá cuando exista en todas partes la misma temperatura, agotándose las posibilidades de obtención de trabajo.
4.4. Aprovechamiento tecnológico de las diversas fuentes de energía
Representamos en la tabla de la figura 3, los procedimientos mediante los cuales se facilitan las transformaciones energéticas de interés tecnológico. Dichas transformaciones se efectúan mediante máquinas llamadas conversores de energía.
Se observa que hay muchos procedimientos para obtener energía aprovechable, pero sólo para unos pocos existe una tecnología adecuada y desarrollada que los haga viables y suficientemente rentables.
En la práctica, las cadenas de conversión más convencionales han sido dos:
– Energía hidráulica —> energía mecánica -» energía eléctrica.
– Combustible fósil —> calor -> energía mecánica —» energía eléctrica.
Algunas cadenas de conversión menos frecuentes son el aprovechamiento de la energía nuclear (de fisión o fusión), otras en la conversión directa (efecto fotoeléctrico) o indirecta de la energía solar en energía eléctrica.
Sistemas actualmente bajo investigación es el de la conversión energética de la biomasa presente en nuestro planeta, para la cuál se han establecido, de momento, dos vías: la primera, la obtención de cultivos susceptibles de ser utilizados como combustibles; la segunda, el aprovechamiento de los residuos orgánicos como combustibles, eliminando al mismo tiempo el problema de su eliminación.
4.5. Las transformaciones energéticas en los seres vivos
Al tratar de las transformaciones energéticas en un contexto biológico, resulta de interés hablar sobre las principales de estas transformaciones que ocurren en el mundo de los seres vivos: respiración, fotosíntesis y procesos metabólicos.
– La respiración
Realizada por todas las células, puede definirse desde un punto de vista energético como la conversión de la energía química contenida en las moléculas orgánicas en energía utiíizable por las células. El proceso implica la ruptura de los enlaces químicos de las moléculas cuya energía es transferida a los enlaces terminales de alta energía de las moléculas de ATP.
– La fotosíntesis
Realizada exclusivamente por los vegetales, es el proceso biológico por el cual la energía luminosa del Sol es transformada en energía química almacenada en las plantas. Los fotones de la luz solar, al chocar contra los electrones poco energéticos de la molécula de clorofila, activan dichos electrones (o lo que es lo mismo, incrementan su energía). Este electrón es transferido sucesivamente a moléculas transportadoras de electrones a través de las cuales va ocupando orbitales de menor nivel energético cada vez. La energía liberada en cada transferencia se transforma en energía química de enlace ATP.
– Los procesos metabólicos
Son el conjunto de reacciones químicas y transformaciones energéticas asociadas que tienen lugar en la célula y entre ésta y su medio, y que conducen a la síntesis (anabolismo) y degradación (catabolismo) de las moléculas orgánicas. Ambos procesos son simultáneos e interdependientes, pues la energía liberada durante uno debe ser aportada al otro.
5. EFECTOS Y PROPAGACIÓN DEL CALOR
5.1. Propagación
El calor puede transmitirse de tres formas distintas: conducción, convección y radiación.
– Conducción
Decimos que el calor se transmite por conducción cuando no se produce movimiento de materia dentro del medio en el cual se produce la transmisión. Esta forma de transmisión es propia de los cuerpos sólidos, donde la movilidad de sus iones o moléculas es muy pequeña. Por ejemplo, si al extremo de una varilla metálica se le aplica una fuente de calor, éste se transmite poco a poco a través de la varilla de modo que, al cabo de un tiempo, el otro extremo se encuentra también caliente. De esta forma, el calor se ha transmitido sin movimiento de materia. El estudio experimental de la transmisión de calor por conducción puede realizarse mediante el llamado método del muro. Se dispone de un cuerpo homogéneo e isótropo con forma de lámina de superficie 5 y espesor e, tal y como un muro
En uno de sus extremos la temperatura es t1, y en el otro es t2 con t1 > t2. Una vez alcanzado el régimen estacionario, se comprueba experimentalmente que la cantidad de calor transmitida de un extremo a otro de la lámina por unidad de tiempo es:
donde S viene expresado en cm2, t¡ y t2 en grados centígrados y e en cm, y donde X, coeficiente de conductividad calorífica del cuerpo, que depende de la naturaleza del mismo y, por tanto, varía mucho de unos cuerpos a otros. De acuerdo con este coeficiente podemos distinguir los aislantes térmicos (como el vidrio, la seda o el aire) y los conductores térmicos (en general, todos los metales). Existe, además, una gran analogía entre las conductividades térmica y eléctrica de los cuerpos, de modo que un buen conductor térmico es también un buen conductor eléctrico y al contrario.
– Convección
Decimos que el calor se transmite por convección si se verifica traslación total o parcial de las partículas del medio material en que se propaga el calor. Esto es especialmente cierto en los líquidos y en los gases.
– Radiación
Este método de propagación se basa en el principio de que todos los cuerpos con temperatura superior al cero absoluto emiten y absorben radiación electromagnética. A medida que aumenta su temperatura aumenta también la cantidad de energía radiada, pero sólo a temperaturas relativamente elevadas se logra emitir radiación visible. La radiación emitida normalmente es de tipo térmico. La energía radiante emitida por los diversos cuerpos es, en general, distinta aunque dichos cuerpos se encuentren a la misma temperatura. Puede definirse el radiador ideal como aquel que tiene mayor poder emisivo para una temperatura dada. No obstante, existe una relación muy interesante entre el poder emisivo y el factor de absorción de una superficie, de forma que cuanto mayor es el factor de absorción de energía de una superficie, mayor es también su poder emisivo. Este es un enunciado de la Ley de Kirchhoff. Esta ley nos permite definir el radiador ideal como “aquél cuerpo que absorbe todas las radiaciones incidentes”. Un cuerpo en estas condiciones no refleja radiación incidente alguna, por lo tanto aparece de color negro, y así, también se denomina cuerpo negro al radiador ideal. En realidad, no existe ninguna sustancia que absorba todas las radiaciones incidentes sin reflejar ninguna, pero pueden construirse aproximaciones ideales, como la de una superficie completamente cerrada en la que se ha practicado un pequeño agujero
Como hemos dicho, un cuerpo negro emite radiaciones de todas las longitudes de onda, dando así lugar a un espectro continuo. En la figura, exes el poder emisivo referido a la longitud de onda X. Depende de A, y de la temperatura Tdel cuerpo. De la inspección de la figura se desprende que:
– El poder emisivo es tanto mayor cuanto mayor es la temperatura T del cuerpo negro. En concreto, es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Ley de Stephan-Boltzmanri).
– A medida que aumenta la temperatura, el máximo de la curva se desplaza hacia las longitudes de onda más cortas (Ley de Wieri). Eventualmente, el cuerpo llega a emitir radiación visible. Esto explica el cambio de color que experimenta un cuerpo al aumentar su temperatura, pasando sucesivamente del
rojo al blanco, e incluso al azul como en algunas estrellas.
5.2. Efectos
De los posibles efectos del calor, interesa de modo especial considerar aquellos que tienen que ver con la conversión de la energía calorífica en otras formas de energía aprovechables por el ser humano, en concreto la energía eléctrica. A este fin se han ideado dispositivos como el convertidor termoeléctrico y el convertidor termoiónico, cuyos principios básicos de funcionamiento describimos a continuación.
– Fenómenos termoeléctricos. Convertidor termoeléctrico
Se trata de un conjunto de fenómenos en virtud de los cuales el calor origina energía eléctrica o viceversa (efecto Seebeck, efecto Peltier, efecto Thomson y efecto Joule). Hasta hace unos años su principal aplicación consistía en su utilización para la realización de medidas de temperaturas, dado que las corrientes eléctricas producidas en metales eran demasiado débiles como para que tuvieran interés práctico como generadores de corriente. Sin embargo, recientes investigaciones en torno a los materiales semiconductores han potenciado la aplicación de estos fenómenos en convertidores termoeléctricos, de modo que su presencia es frecuente en aplicaciones espaciales y en algunas aplicaciones terrestres especiales.
– En el efecto Peltier, dos metales puestos en íntimo contacto y a través de los cuales se hace circular una corriente eléctrica, experimentan un aumento o disminución de la temperatura en los puntos de soldadura, en virtud de su diferente estructura metálica interna.
– En el efecto Thomson, un metal homogéneo es sometido a calentamiento de modo que el gas electrónico contenido en su interior sigue el comportamiento semejante al de un gas que, ocupando un volumen prácticamente constante, sufriese un aumento de temperatura en una región del mismo. En dicha región, la densidad del gas electrónico disminuye y se carga positivamente respecto a las regiones frías, estableciéndose así una diferencia de potencial llamada fuerza electromotriz de Thomson, cuya magnitud depende del gradiente térmico y de la naturaleza del metal.ç
– En el efecto Seebeck, dos metales M y N que forman un circuito cerrado y están a temperatura uniforme no dan lugar a corriente alguna, ya que la/em de Peltier en la soldadura A -Pl- es igual pero de sentido opuesto a la de la soldadura B -P2-.
Sin embargo, este equilibrio desaparece cuando las soldaduras se ponen a diferente temperatura, ya que la/em de Peltier depende de la temperatura, siendo entonces de valores diferentes cuando la temperatura lo es también. De otra parte, los gradientes de temperatura en cada metal dan lugar a sendas fem de Thomson ~F¡ y F2~, que no tendrán el mismo valor, puesto que se trata de metales diferentes, y de forma que si las temperaturas son T¡ < T2t tendrán los sentidos indicados en la figura anterior. Como resultado se tiene una/em total que dependerá de las temperaturas de las soldaduras y de la naturaleza de los metales, y que da lugar a una corriente que se pone de manifiesto intercalando un galvanómetro en el circuito formado por ambos metales.
– Efecto termoiónico. Convertidor termoiónico
El efecto termoiónico consiste en la conversión directa de energía calorífica en energía eléctrica, producida cuando un cuerpo emisor de iones normalmente un metal, (que actúa como cátodo) es sometido a calentamiento y enfrentado a un ánodo. Cuando se transfiere suficiente energía calorífica al cátodo sus electrones se hacen lo suficientemente energéticos como para abandonar el material y dirigirse hacia el ánodo (Fig. 11).
De este modo, el cátodo se carga positivamente y el ánodo negativamente. Si en estas condiciones unimos ambos electrodos mediante una resistencia eléctrica, circulará por ella una corriente eléctrica. Un dispositivo como este se denomina convertidor termoiónico y, aunque en muchos aspectos es semejante a un generador termoeléctrico (pues ambos utilizan la energía calorífica para producir energía eléctrica), existe una diferencia importante que consiste en que en el convertidor termoeléctrico los electrones únicamente viajan a través del medio sólido, mientras que en el caso de un convertidor termoiónico se desplazan a través del vacío o de un gas ionizado.
En la figura 4 se presenta un esquema que relaciona las diversas fuentes de energía (exteriores y locales) con sus efectos y consecuente aprovechamiento, y donde la energía mecánica no está mencionada explícitamente porque todas las energías susceptibles de aprovechamiento pueden convertirse en energía mecánica.
Dentro de este esquema aparecen los efectos termoeléctrico y termoiónico tratados como consecuencia directa del calor, junto con otros efectos no menos importantes.
6. PROPAGACIÓN DE ENERGÍA SIN TRANSPORTE DE MASA: MOVIMIENTO ONDULATORIO
El movimiento ondulatorio puede considerarse como un transporte de energía y cantidad de movimiento desde un punto a otro del espacio sin transporte de materia en la dirección de propagación.
En las ondas mecánicas (como por ejemplo ías ondas de la superficie del agua o las ondas sonoras), la energía y la cantidad de movimiento se transportan por una perturbación del medio material en que se propagan, gracias a las propiedades elásticas de dicho medio. Sus partículas materiales ocupan siempre la misma posición, y lo que se transmite de una partícula a la inmediata es la energía mecánica que posee y que la obliga a separarse de su posición de equilibrio.
Por otro lado, en las ondas electromagnéticas se produce el transporte de energía y cantidad de movimiento por la perturbación de un campo eléctrico y otro magnético que se propaga en el espacio sin necesidad de un soporte material (por tanto, también en el vacío) con una velocidad determinada e igual para ambos que viene establecida por la Teoría de la Relatividad.
Existe una gran diversidad de fenómenos ondulatorios en la naturaleza muchas presentan características comunes a cualquier tipo de onda, mientras que otras están limitadas a un tipo de onda en particular. Las características comunes son: transporte de energía sin masa o la capacidad de interferencia, reflexión, refracción, difracción, etc. Entre las características diferenciales se encuentran el medio material necesario para su propagación, el carácter longitudinal o transversal de la onda y el carácter relativo de su velocidad de propagación que diferencia, por ejemplo, las ondas sonoras de las ondas electromagnéticas.
En los puntos siguientes haremos una exposición del sonido y de la luz como ejemplos más representativos de los principales tipos de ondas: ondas mecánicas y ondas electromagnéticas, respectivamente, con especial atención a la transmisión de energía asociada y a las transformaciones más importantes en otras formas de energía.
7. LUZ Y SONIDO
7.1. El sonido como fenómeno ondulatorio
El tipo de ondas mecánicas o elásticas más representativo son las ondas sonoras. Se trata de ondas longitudinales producidas por un foco (diapasón, lámina, etc.) al vibrar en el aire u otro medio material con propiedades elásticas, produciendo sucesivas compresiones y enrarecimientos de dicho medio (Fig. 13). La propiedad física que sufre una deformación o perturbación elástica es la densidad del medio en que la onda se propaga, y en consecuencia las ondas sonoras no pueden propagarse en el vacío.
En la figura 13, el máximo desplazamiento de las partículas corresponde a los puntos de densidad o presión mínimas, mientras que el mínimo desplazamiento corresponde a los puntos de máxima presión o densidad.
Puede demostrarse que la velocidad de propagación del sonido es independiente de la fuente sonora que lo produce (forma y frecuencia de las vibraciones) pero varía según el medio en que se transmite. También puede probarse que dicha velocidad aumenta con la temperatura del medio.
Desde el punto de vista subjetivo, el sonido es la sensación sonora que experimenta el nervio acústico gracias a los diferentes órganos del oído. Para que las vibraciones sean percibidas como sonido por el oído humano es necesario que su frecuencia se encuentre en el intervalo de los 20 a los 20.000 Hz, y que la transmisión se efectúe en un medio elástico (sólido, líquido o gas) en el que las moléculas vibren longitudinalmente, tal y como hemos dicho.
El sonido también es detectado por otros dispositivos físicos distintos del oído que absorben la energía transmitida por las ondas y la convierten en algún otro tipo de energía. Así por ejemplo, el micrófono de un teléfono transforma esta energía en una señal eléctrica que se propaga, y que es convertida de nuevo en señal acústica al alcanzar el audífono del interlocutor. Las principales cualidades del sonido son la intensidad, el tono y el timbre de la onda.
– Intensidad
Expresa la energía de la onda sonora que atraviesa, por segundo, la unidad de superficie colocada normalmente a la dirección de propagación. Se mide normalmente en w/cm2. Las intensidades máxima y mínima que el oído humano puede tolerar son del orden de 10~4 w/cm2 y 10~16 w/cm2, respectivamente. Estos valores dan idea, por un lado, de la gran sensibilidad de nuestro oído, y por otro, de la pequenez de la energía transmitida por las ondas sonoras.
Ahora bien, existe una diferencia entre la intensidad sonora definida, inherente a la propia onda, y la sensación sonora a que da lugar en el oído. Esta sensación sonora depende no sólo de la intensidad sonora, sino también de la frecuencia y. por otra parte, de la sensibilidad del propio oído. Se ha establecido una escala de sensaciones sonoras ligada a la intensidad física cuyo valor unidad se denomina bel, aunque en la práctica se usa el decibel o decibelio.
– Tono
Es la cualidad del sonido asociada a su frecuencia y que distingue, por ejemplo, las notas musicales emitidas por un instrumento. Los tonos se clasifican como graves (baja frecuencia) y agudos (alta frecuencia). Como unidad de tono se toma el Hz. El oído humano percibe únicamente aquellos tonos comprendidos entre 20 y 20.000 Hz.
– Timbre
Es la cualidad del sonido que permite distinguir el instrumento que lo produce. Así, la misma nota musical emitida por un violín no tiene el mismo timbre que la emitida por un piano.
7.2. La luz como fenómeno ondulatorio
La luz es el ejemplo más común de onda electromagnética, formada por un campo eléctrico y otro magnético cuyas intensidades varían en planos perpendiculares de forma análoga a la variación de la elongación en una onda mecánica, propagándose ambas perturbaciones en la dirección perpendicular a ambos planos (Fig. 14)
La propagación de esta perturbación no se produce instantáneamente, existiendo un límite para su velocidad que viene dado por la Teoría de la relatividad.
El carácter ondulatorio de la luz se puso de manifiesto por primera vez en los experimentos de difracción de Charles Auguste Young. En el experimento, al incidir la luz sobre una doble rendija, se producía un diagrama interferencial que se podía recoger en una pantalla
El diagrama, formado por bandas claras y oscuras, se explica por la incidencia en las zonas claras de rayos luminosos que llegan en la misma fase, originándose una interferencia constructiva, mientras que en las zonas oscuras llegan en oposición de fase, originándose una interferencia destructiva.
Dentro del espectro electromagnético, que comprende todas las posibles longitudes de onda electromagnética, la luz visible ocupa una estrecha franja comprendida entre los 3.800 y 7.400 Á de longitud de onda (Fig. 16).
Es precisamente la longitud de onda (o equivalentemente, la frecuencia) la que determina el comportamiento de las ondas electromagnéticas en relación con el medio con que interaccionan. En el caso de la luz visible, su pequeña longitud de onda, mucho menor que la mayor parte de los obstáculos y aberturas, hace válida la aproximación de los rayos luminosos, cuyo estudio corresponde a la Óptica.
Las propiedades de la luz visible relacionadas con la energía que transmiten son la intensidad luminosa, flujo luminoso y la iluminación.
– La intensidad luminosa es la energía total que emite una fuente puntual de luz
visible por segundo y unidad de ángulo sólido. Se mide en candelas.
– El flujo luminoso es la energía total que emite una fuente puntual de luz visible por segundo. La unidad de flujo luminoso se denomina lumen.
– La iluminación de una superficie es el flujo luminoso que incide sobre ella por unidad de área, siendo sus unidades el lux (íumen/m2) y el phot (lumen/cm2).
Para hacernos una idea del significado de estas magnitudes, baste citar que la iluminación máxima producida por la luz solar en la superficie de la Tierra es del orden de 100.000 lux, mientras que en días nublados sólo recibimos unos 1000 lux. En el interior de habitaciones iluminadas con luz solar, la iluminación es de unos 200 lux.
Desde el punto de vista biológico, la luz visible interviene en muchos de los procesos de transformación de energía que suceden en la naturaleza. Ya citamos anteriormente la fotosíntesis. Añadimos aquí que la iuz visible es, además, la energía electromagnética que tiene la propiedad de impresionar el sentido de la vista en los animales. La sensación luminosa es transmitida al cerebro como corriente eléctrica nerviosa.