La energía resulta un término de uso rutinario en nuestro lenguaje diario, y a menudo se emplea con poco o nulo conocimiento de lo que implica, de las leyes físicas, químicas y biológicas que la rigen y, por ende, del impacto en el planeta por el mal uso que de ella hacemos diariamente con el único afán de resolver nuestras necesidades inmediatas; esto se traduce en problemas a mediano y largo plazos, como el calentamiento global: un efecto que nos atañe a todos.
En esta contribución tocaremos algunos aspectos de los conceptos de energía calórica y de la aplicación de las dos primeras leyes de la termodinámica en el tema del cambio climático.
Cuando la gente habla cotidianamente del cambio climático se refiere a la energía generada por la actividad antropógena como el elemento central del problema. Sin embargo, la comprensión y su posible solución son altamente complejas. A continuación haremos un breve análisis de lo que implican algunos conceptos acerca de la energía y de las implicaciones que conllevan las dos primeras leyes de la termodinámica dentro de los procesos climáticos.
Energía ¿una palabra común?
Se dice que la energía y la materia son inseparables, ya que es difícil describir la una sin la otra. La energía es la capacidad de producir un trabajo y el trabajo se hace cuando un objeto se mueve a través de una distancia, lo cual ocurre en todas las escalas incluso en el plano molecular.
Hay varios tipos de energía: el calor, la luz, la electricidad y la energía química son las formas más comunes. La energía involucrada en el movimiento de los objetos se llama energía cinética, como la corriente de agua en una cascada o una leona que persigue a una gacela. En contraste, la energía potencial es la que tiene la materia debido a su posición de referencia; por ejemplo: el agua detrás de un dique tiene energía potencial en virtud de su posición elevada; a escala molecular un electrón que se ha movido a una posición alejada del núcleo incrementa su energía potencial debido a la distancia aumentada entre el electrón y el núcleo.
Estados de la materia
Dependiendo de la cantidad de energía presente, la materia se encuentra en tres estados: sólida, líquida y gaseosa. La naturaleza física de la materia se modifica cuando ocurre un cambio en la cantidad de energía cinética que contienen sus partículas moleculares, pero la naturaleza química de la materia y el género de reacciones químicas que experimentará permanecen iguales. Por ejemplo, el vapor de agua, el agua líquida y el hielo, tienen la misma composición química, pero difieren en el arreglo y la actividad de sus moléculas. La cantidad de energía cinética que tienen las moléculas determina qué tan rápido se mueven. En los sólidos, las partículas moleculares tienen una energía cinética pequeña y vibran muy cerca una de otra; en los líquidos, las partículas tienen más energía cinética que los sólidos y, en los gases, es aún mayor
que en los líquidos. Todas las modificaciones que ocurren en la naturaleza física de una sustancia son debidas a cambios de energía y la energía se agrega o se elimina en forma de calor.
Cuando dos formas de materia tienen temperaturas diferentes, la energía calórica se transmitirá de la de mayor temperatura a la temperatura más baja. De ahí que, por ejemplo, las corrientes cálidas de los trópicos fluyan hacia las regiones polares. La temperatura del objeto más frío aumenta mientras disminuye la del más caliente. Este fenómeno se conoce como transferencia de calor sensible. Cuando la energía calórica se usa para cambiar el estado de la materia de sólido a líquido, se refiere a su punto de fusión, o si el cambio es de líquido a gas se denomina punto de ebullición, el calor se transfiere pero la temperatura de la materia no cambia. Esto se llama una transferencia de calor latente. Este efecto se experimenta cuando el agua de la piel se evapora, ya que el cuerpo proporciona el calor necesario para convertir el agua líquida en vapor de agua y en consecuencia el cuerpo se refresca al perder calor.
1a. y 2a. leyes de la termodinámica
La energía existe en distintas formas y es posible convertir una forma de energía en otra. Sin embargo, la cantidad total de energía permanece constante. La primera ley de la termo-dinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de un estado a otro. Desde la perspectiva humana, algunas formas de energía son más útiles que otras.
Actualmente hay un extenso uso de la energía eléctrica, pero la presencia de energía eléctrica disponible en la naturaleza es muy pequeña (un ejemplo de ésta son los relámpagos); por consiguiente, es necesario considerar otras fuentes de energía que puedan transformarse en electricidad. Al cambiar la energía de una forma a otra, parte de ella se pierde puesto que no se usa para producir un trabajo. Ésta es la segunda ley: la energía que no puede usarse para realizar un trabajo se llama entropía.
Otra manera de describir esta ley es: cuando la energía se convierte de una forma a otra, aumenta la entropía. Una forma alterna de percibir la idea de entropía es que ésta es una medida de desorden y que la cantidad de desorden (entropía) por lo general aumenta cuando se llevan a cabo conversiones de energía. Así entonces, el grado de desorden de los seres vivos se puede medir de acuerdo con la cantidad de calor que liberan a sus ambientes. Es importante resaltar que cuando la energía se convierte de una forma a otra, no hay una pérdida total de energía, sino una pérdida parcial de ella. Por ejemplo, el calor del carbón ardiente que se usa para calentar el agua y generar el vapor que se desvía a las turbinas que generan electricidad. En cada paso del proceso se pierde una parte de energía la cual se libera en forma de calor al planeta. Por consiguiente, la cantidad de energía eléctrica que viene de la planta generadora es mucho menor que la cantidad total de energía química presente en el carbón que se quemó.
En el universo, la energía continuamente está siendo convertida de una forma a otra. Las estrellas transforman la energía nuclear en calor y luz. Los animales procesan la energía potencial química del alimento en energía cinética que les permite moverse. Las plantas entrampan la energía de la luz del sol para metabolizarla como energía de enlace químico de moléculas de azúcar; en cada uno de estos casos se disipa una proporción de calor hacia el ambiente.
El proceso en el que los organismos liberan la energía del enlace químico del alimento se conoce como respiración celular. Desde el punto de vista de la energía, es comparable al proceso de la combustión, que consiste en quemar combustible para obtener calor, luz o alguna otra forma de energía útil para el hombre. La eficiencia de la respiración celular es relativamente alta: alrededor de 40 por ciento de la energía contenida en el alimento es liberada en procesos metabólicos. El resto se disipa como calor al ecosistema.
Unas energías más útiles que otras
Para el hombre algunas formas de energía, como la eléctrica se consideran de calidad o útiles porque se usan fácilmente para realizar una gran variedad de acciones prácticas. Otras formas, como el calor presente en el agua del océano, poseen una calidad, hasta el momento, poco útil porque no sirven para propósitos inmediatos –para las actividades cotidianas–. Aunque la cantidad total de calor en este depósito es mucho mayor que la cantidad total de energía eléctrica en el mundo, puede hacerse poco trabajo dado que no se han desarrollado mecanismos tecnológicos para transformarla. Por consiguiente, no es tan valiosa, económicamente.
La razón de que el calor del océano sea de poco valor se relaciona con la escasa diferencia de temperatura entre dos fuentes de calor. Cuando dos objetos difieren en temperatura, el calor fluirá del objeto más caliente al más frío. Mientras más grande es la diferencia de temperatura mayor es el trabajo que se obtiene. Por ejemplo, el combustible fósil de las plantas (diesel, petróleo o gasolina) aporta grandes cantidades de energía. Debido a que la temperatura media del océano no es tan alta respecto a la de los continentes y, por si fuera poco, resulta difícil encontrar otro objeto de grandes proporciones que tenga una temperatura más baja que el mar, resulta muy complicado emplear el gran calor contenido en el océano para producir un trabajo útil para nosotros.
Excedente liberado = contaminación
Una consecuencia infortunada de la conversión de energía es, sin duda, la contaminación, ya que el calor perdido, procedente de las conversiones de energía, por un número cada vez mayor de máquinas desarrolladas por los humanos, se convierte en un contaminante. Por ejemplo, el uso de los frenos para detener un automóvil produce contaminación, al igual que las emisiones de las plantas de generación de energía eléctrica o la combustión de petróleo. Estos ejemplos ilustran el efecto de la segunda ley de la termodinámica.
Si bien, no se trata de que cada individuo en la Tierra use menos energía para que hubiese menos calor residual, así como otras formas de contaminación generadas durante la conversión de energía. No hay que perder de vista que la cantidad de energía en el universo es limitada y sólo una pequeña porción es de calidad –dada la tecnología actual disponible–. Es entonces tarea de todos nosotros buscar el equilibrio entre la generación de energía eficiente, el consumo y el calor residual que se traduce en contaminación.
Este equilibrio se refiere a la temperatura, el aire respirable, la dosis adecuada de gases que componen la atmósfera, la presencia del agua, al desarrollo de la fotosíntesis y a todos los factores que hacen posible la existencia de seres vivos en el planeta. Sobre todo si consideramos la totalidad del planeta como un organismo gigantesco cuya fisiología y metabolismo responden a la interrelación dinámica entre los seres vivos y su entorno físico, tal y como lo señala la Teoría de Gaia propuesta por el químico inglés J. Lovelock, es decir, como un sistema altamente complejo y no como un conjunto de procesos químicos, geológicos, físicos o biológicos aislados entre sí. En consecuencia, si el problema de calentamiento global se enfoca de forma sistémica los resultados darán sus frutos en el corto, mediano y largo plazos, mientras que, visualizando los problemas de forma independiente, sólo paliaremos el problema.
Eficiencia aproximada de % de eficiencia algunos sistemas de conversión
Motor eléctrico 95
Planta de generación hidroeléctrica 85
Horno de petróleo de casa 65
Máquina de motor de reacción 55
Planta de generación de vapor 47
Motor diesel 45
Lámpara fluorescente 40
Motor automovilístico (gasolina) 25
Lámpara incandescente 10
* Departamento El Hombre y su Ambiente.
UAM-Xochimilco
** Departamento Climatología.
Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM
