Aprovechamiento de la Energía - Una de nuestras primordiales necesidades.

Vayan, ante todo, mis saludos respetuosos para toda la comunidad de #stem-espanol, #steemstem y el resto de la comunidad de Steemit. Como ya es costumbre, saludos particulares para todos mis Steemians-Lectores. A manera de continuación de mi artículo anterior, Trabajo Mecánico y Energía, les hablaré esta vez del Aprovechamiento de la Energía.

Mis estimados y atentos Steemians, como es por nosotros sabido, la energía es vital para todo tipo de actividades que desarrollamos en la actualidad y que, muy seguramente, desarrollaremos en el futuro. Cada vez dependemos más y más de la energía, por lo cual su ausencia o falta sería letal para nuestro desarrollo y supervivencia. Es muy fácil imaginarnos lo que podría ocurrir en la actualidad si nos faltase por completo, por ejemplo, la energía eléctrica, de la cual somos enteramente dependientes en la actualidad. Todo sería un completo caos mis amigos Steemians, colapsaría prácticamente todo. Episodios de esto hemos vivido cuando hay interrupciones del servicio eléctrico en nuestros pueblos y ciudades, poniéndose en completo caos servicios importantísimos como la salud y las comunicaciones. Es por lo anterior que realizamos tantos esfuerzos para obtener energía eléctrica abundante de la forma más sencilla posible.

Steemians, desde remotos tiempos no las hemos ingeniado para encontrar en la naturaleza fuentes de energía, las cuales son todos aquellos recursos presentes en la naturaleza que nos rodea y de los que se puede obtener energía para usar en las diversas actividades y procesos que deban emprenderse o desarrollarse. Para nuestra fortuna la energía tiene una importante propiedad: la energía se puede transformar. Es decir, a partir de fuentes de energía de distinta naturaleza podemos obtener el tipo de energía que necesitamos al transformarla mediante algún mecanismo. Esta propiedad se menciona explícitamente en la importantísima ley física denominada Ley de Conservación de la Energía, de la que ya les había hablado en el artículo anterior. Esta ley afirma que:

Lo anterior quiere decir que las cantidades de energía de distintas formas en el Universo pueden aumentar o disminuir transformándose entre ellas, pero la suma total de todas las presentes siempre será la misma. Para que esto ocurra de la anterior forma, mis atentos Steemians-Lectores, al aumentar las cantidades de unas, deben disminuir las otras en una misma cantidad, así como lo hace la energía potencial gravitacional y la energía cinética en el péndulo simple que les muestro en la figura 1 o en la Montaña Rusa que les muestro en la figura 2, para lograr mantener constante la energía mecánica total del sistema. Esta es una ley a la cual no se le ha encontrado ninguna experiencia que la contradiga.

Entonces, mis estimados amigos Steemians-Lectores, ¿qué requiere de un estudio detallado para lograr un buen aprovechamiento de la energía? Se desprende de lo dicho anteriormente que debemos enfocarnos en los mecanismos necesarios para lograr las transformaciones de energía, siendo justamente el problema central de todo y en el cual se realizan continuamente innumerables esfuerzos en todo el mundo para resolverlo, tratando que dichos mecanismos sean lo más simples y económicos posibles.

Antes de continuar, mis amigos Steemians, es conveniente aclarar lo que se entiende como Fuente de Energía:

A las fuentes de energía las podemos clasificar en Fuentes Primarias y Fuentes Secundarias. Las primarias son aquellas que se encuentran en forma natural en nuestro derredor y que no han sido transformadas artificialmente, entre las cuales les puedo mencionar: el calor del interior de la Tierra (energía geotérmica), los minerales radioactivos como el Uranio, las corrientes de agua de los ríos, el Sol, el viento, los combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón, etc. Las fuentes secundarias son aquellas obtenidas a partir de una transformación artificial de las primarias para así obtener la forma de energía que se desea.

Las fuentes de energía también suelen clasificarse en Fuentes Renovables y Fuentes No Renovables. Las renovables son aquellas cuya permanencia no se ve afectada en forma significativa en relación con el ritmo en la que es aprovechada, siendo el ejemplo más significativo el Sol. Las no renovables son aquellas en la que ocurre lo contrario, por ejemplo, los combustibles fósiles.

Ahora bien mis estimados Steemians-Lectores, existen numerosas fuentes de energía. A continuación les presento, en forma breve, algunas de estas y algunos mecanismos de transformación:

1- LA ENERGIA GEOTERMICA: Steemians, esta es la energía cuya fuente es el calor que se encuentra en el interior de la Tierra. Se obtiene a partir de las rocas calientes. Mientras más profundo se entra en la tierra, mayor es la temperatura. Pueden haber cuerpos de agua formados naturalmente que interaccionan con las rocas calientes originando vapor de agua. En caso de que no existan estos depósitos de agua, estos pueden ser creados artificialmente al construir pozos profundos hasta la roca caliente. El vapor de agua generado permite diversidad de usos, siendo el más importante el de la generación de energía eléctrica en las Centrales Geotérmicas como la que les muestro en la figura 3. En ellas se utiliza el vapor de agua para poner en funcionamiento las turbinas generadoras (mecanismo de transformación) de corriente eléctrica.

La energía geotérmica (cuando las temperaturas son más bajas que en el caso de la generación de electricidad) es útil para la calefacción de casas y edificios. Puede ser utilizada en algunos procesos agrícolas como en la climatización de invernaderos, donde se cultivan hortalizas y otros tipos de plantas. También puede ser utilizada en procesos industriales como en el secado de frutas y granos, además de lavaderos lana, en el tratamiento del agua y otros procesos.

2- LA ENERGIA MARITIMA: es aquella que se obtiene de los movimientos del agua en los océanos y mares de la Tierra, los cuales constituyen una enorme fuente de energía cinética. La energía marítima comprende la Energía Undimotriz u Olamotriz y la Energía Mareomotriz.

La Energía Undimotriz es la proveniente de las olas de la superficie de los océanos y mares. Actualmente se ha generado gran interés en esta fuente de energía. Entre los mecanismos que se emplean para convertir esta energía en otras formas, principalmente energía eléctrica, les presento los siguientes:

Las Boyas: estos mecanismos se sujetan al fondo mediante un lastre o un anclaje. En su interior se encuentra un sistema hidráulico que se utiliza para accionar, gracias al constante movimiento originado por las olas, un generador eléctrico.

Los Depósitos de Columna de Agua Oscilante: que constituyen tubos cuyo extremo superior es completamente hermético y cuyo extremo inferior está sumergido en el agua, de tal forma que las olas en el extremo inferior originan corrientes de aire que es expulsado a través de una pequeña abertura en el extremo superior, aprovechándose la energía cinética de la corriente de aire para mover una turbina que genera electricidad. Normalmente son ubicados en las costas.

Dispositivos Articulados flotantes: son mecanismos flotantes de partes articuladas que obtienen energía de las olas al seguir su movimiento, generando electricidad a partir generadores hidráulicos. En la figura 4 les muestro un mecanismo de este tipo, la denominada Serpiente Marina Pelamis.

Por otro lado, mis amigos Steemians-Lectores, la Energía Mareomotriz es la obtenida a partir del ascenso y descenso de las aguas de los mares originadas por la acción gravitacional del Sol y la Luna sobre los mismos, es decir, a partir de las mareas. Son útiles, para instalar centrales mareomotrices, aquellos puntos en las costas donde la diferencia entre la marea alta y la baja es de unos 5 metros. Estas centrales convierten la energía cinética, originada por las mareas en su ascenso y descenso, en energía eléctrica mediante turbinas que son conectadas a generadores de electricidad. En la figura 5 les muestro dos de los mecanismos usados para el aprovechamiento de la energía mareomotriz.

3- LA ENERGIA EOLICA: es la energía cinética proveniente del movimiento de las masas de aire, es decir, del viento. Ya, desde tiempos remotos, se aprovechaba para mover barcos mediante el uso de velas y para mover las aspas de los molinos. También es usada para mover las aspas de las bombas de agua eólicas (vean la figura 6), empleadas a pequeña escala para suministrar agua a las comunidades rurales y para el riego de los campos sembrados.

Estimados amigos Steemians-Lectores, en la actualidad se realizan grandes esfuerzos para aprovechar esta energía para la generación de electricidad. Para esto, se utilizan los llamados Aerogeneradores (observen la figura 7). Estos son mecanismos que transforman la energía cinética del viento en energía eléctrica. El viento hace girar las aspas del aerogenerador, las cuales están acopladas a un generador eléctrico. Suelen colocarse agrupados en gran número, dando origen a los llamados Parques Eólicos.

4- LA ENERGIA SOLAR: es la energía que proviene de nuestra mayor fuente, el Sol. Esta energía es aprovechada para solventar distintas necesidades. Es usada para calentar el suministro de agua en casas mediante mecanismos que suelen colocarse en sus techos, como el que les muestro en la figura 8.

También puede ser utilizada para cocinar alimentos, mediante mecanismos (cocina solar) que concentran la luz del Sol en una pequeña zona donde se colocan los alimentos que se desean cocinar (vean la figura 9).

Sin embargo, mis atentos Steemians-Lectores, la energía solar es mayormente empleada para generar electricidad mediante Paneles Fotovoltaicos como los que les muestro en la figura 10. Estos paneles solares, colocados en conjunto, pueden suministrar electricidad a una casa o un pequeño caserío. Todavía son complicados de fabricar y son muy costosos.

También, amigos Steemians, se genera electricidad a mayor escala mediante mecanismos de gran tamaño, denominados Plantas de Energía Termosolar, que utilizan gran cantidad de espejos para concentrar la luz solar en una pequeña zona situada en la sima de una torre, donde se encuentra el mecanismo que transforma la energía solar en eléctrica (observen la figura 11).

5- LA ENERGIA HIDRAULICA: es la energía que se obtiene del aprovechamiento de la energía cinética las corrientes de agua de los ríos y de la energía potencial almacenada en las aguas represadas. En la figura 12 les muestro un mecanismo que permite transformar la energía de una corriente de agua, en energía mecánica.

El empleo más popular es en la generación de electricidad mediante enormes represas (vean la figura 13). Se convierte la energía potencial acumulada en el agua represada, para convertirla en cinética que mueven las aspas de los generadores y estos convierten esta energía en electricidad.

6- LA ENERGIA NUCLEAR: es la que se obtiene de la liberación de energía, espontánea o artificial, de las reacciones nucleares. Para su aprovechamiento se construyen los denominados Reactores Nucleares que son dispuestos en las Plantas Nucleares (observen la figura 14).

En el núcleo del reactor se lleva a cabo un proceso de fisión nuclear controlado artificialmente, el cual genera una gran cantidad de calor que se emplea para calentar agua y generar vapor de agua para mover generadores eléctricos. Es decir, es una planta de energía térmica común pero con fuente de calor nuclear.

7- LA ENERGIA QUIMICA: es la que almacenada en los combustibles como, por ejemplo, el petróleo, el gas natural y el carbón, la cual se libera mediante la quema de los mismos. Los anteriores combustibles se obtienen de las profundidades de la Tierra a relativamente poca profundidad, mediante la extracción de pozos petroleros, yacimientos de gas y de carbón (observen las figuras 15 y 16). El carbón se utilizó mucho durante el comienzo de la Revolución Industrial para mover todo tipo de motores a vapor, los cuales se utilizaban en vehículos, barcos trenes y maquinaria industrial.

Actualmente el carbón se utiliza todavía en grandes cantidades en las plantas termoeléctricas para generar electricidad. Derivados del petróleo como la gasolina, el gas natural y el gasoil, son empleados en los motores que hacen posible el movimiento de los automóviles modernos, los barcos, los aviones, etc.

Existen muchas otras fuentes como la proveniente del CO₂ wue se origina de los grandes vertederos de basura y la energía proveniente de la Biomasa, entre muchas otras.

De lo anterior, mis estimados amigos Steemians-Lectores, podemos concluir que:

1. La energía posee una importante propiedad: puede transformarse.
2. Existen fuentes de energía renovables y otras que no lo son. Las primeras son las que más nos interesan en la actualidad.
3. La búsqueda de fuentes de energía, sobre todo renovables y económicas, es de vital importancia para nuestra supervivencia.
4. La parte clave del aprovechamiento de la energía radica en la fabricación de mecanismos que permitan la conversión de la energía proporcionadas por las fuentes, a aquellas formas de energía que nos son útiles, como es el caso de la energía eléctrica.
5. Los mayores esfuerzos están dedicados a la generación de energía eléctrica, debido a lo fundamental que es para nuestro mundo actual.
6. Los países que estén aventajados en la generación y aprovechamiento de la energía, sin duda alguna, tendrán una posición privilegiada entre el resto de los países del mundo. Por lo anterior, el apoyo a las carreras científicas en las universidades debe ser uno de los objetivos principales de todo gobierno.

Para la elaboración de este post consulté 7 textos universitarios de distintos niveles en el área, los cuales muestro en la siguiente lista indicando la página consultada:

1. Sears, F. W. MECANICA, MOVIMIENTO ONDULATORIO Y CALOR. Editorial R., La Habana, 1968. Página 20.

2. Feynmann, R. P.; Leighton, R. B. & Sands, Mattthew. FISICA - MECANICA, RADIACION Y CALOR, volume 1. Addison Wesley Longman de México S.A. de C.V., 1998. Páginas 4.1 y 13.1.

3. Tippens, P. E. FISICA - CONCEPTOS Y APLICACIONES. McGrawHill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V., 7ma edition, 2001. Página 157.

4. Burbano de E., S.; Burbano G., E. & Gracia M., C. FISICA GENERAL. Editorial Tébar, S.L., 2003. Página 137.

5. Schiller., C. MOTION MOUNTAIN - THE ADVENTURE OF PHYSICS. Editio undevicesima, 2006. Página 84.

6. Hewitt, P. G. FISICA CONCEPTUAL. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 10ma edición, 2007. Página 110.

7. Giancoli, D. C. FISICA 1 - PRINCIPIOS CON APLICACIONES. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 6ta edición, 2009. Página 136.

Mis estimados amigos Steemians-Lectores. Espero que la anterior información les sea de mucha utilidad, quedándoles un poco más claro lo referente a la importancia que tiene, en el aprovechamiento de la energía, el que la misma pueda ser transformada entre sus diferentes formas. Como ya es costumbre, Si tienen preguntas no duden en hacérmelas llegar pues, con mucho gusto, les atenderé. Igualmente, si tienen detalles que puedan nutrir o mejorar la anterior información, por favor, háganmelas saber. Hasta mi próximo post ¡Saludos a todos! 😁.