Origen y Evolución del Uso de la Energía
Desde sus inicios, la humanidad ha buscado comprender y aprovechar la energía que la rodea. Este recorrido ha sido fundamental para el desarrollo de la civilización.
Tipos de Energía
La energía se manifiesta de diversas formas, y a lo largo de la historia, el ser humano ha aprendido a identificar y utilizar cada una de ellas:
- Energía muscular: La fuerza generada por los músculos de animales y humanos.
- Energía fósil: Proveniente del petróleo y sus derivados, así como del carbón (mineral y vegetal).
- Energía hidráulica: Obtenida del movimiento del agua.
- Energía eólica: Aprovechada del viento.
- Energía nuclear: Derivada del núcleo de los átomos.
Con el paso del tiempo, el hombre ha buscado diferentes medios para “apropiarse” de esta energía. Para ello, se crearon los “ingenios mecánicos”: máquinas, más o menos complejas, que permitían convertir la energía “bruta” en otra forma posible de utilizar.
En los inicios, solo se disponía de los animales o de los propios músculos. En Mesopotamia, hace 5500 años, se creó el arado, que permitía transformar la energía muscular para su uso. Tiempo después, se crearon aparatos para transformar y dominar la energía que servía para elevar agua y regar los campos. Crearon una rueda que elevaba el agua desde un río a un campo, y con el tiempo, y tras continuas pruebas, lograron adaptar el mismo objeto para diferentes propósitos.
A lo largo de la historia, las personas han utilizado la energía para subsistir. Poco a poco, aprendieron a dominar las fuentes de energía naturales (fuego, agua y viento). Energías más complejas de obtener, como la eléctrica y la atómica, fueron dominadas y utilizadas con éxito.
La Transformación Energética
Es fundamental precisar el concepto de transformación, ya que la energía pasa permanentemente de una forma a otra, y es en estas transformaciones donde radica su aprovechamiento tecnológico.
Tanto en una vela como en una hornalla se produce una misma transformación energética, adaptada al problema a resolver. En toda transformación, coexisten varios tipos de energía asociados al fenómeno. Dependiendo del uso deseado, una será la energía útil (la que se aprovecha) y las demás serán residuales (las que se disipan o ‘sobran’).
Definición de Transformación: Proceso por el cual una forma de energía cambia a otras.
Principales Transformaciones Energéticas
Energía Química a Energía Calórica
La energía química (EQ) se encuentra en las moléculas que forman la materia. Las reacciones químicas que se producen en los músculos liberan energía mecánica y calórica, la cual es aprovechada por diversos sistemas naturales. Asimismo, existen sistemas técnicos en los que la energía química se transforma en energía calórica, generando otras formas de energía de manera residual. Por ejemplo, en un encendedor, la energía calórica es la principal, mientras que la energía luminosa es la residual.
Energía Térmica a Energía Mecánica
La primera máquina de vapor fue inventada por Newcomen. Él fue el primero en dominar la fuerza motriz mediante un pistón y un cilindro. Aquella primera máquina de vapor se utilizó como bomba para extraer agua de las minas de hierro, carbón y estaño. Posteriormente, se utilizó fundamentalmente para mover transportes, como trenes, barcos o automóviles. En la ciudad de Chilecito, La Rioja, se encuentra el “Cable Carril”, que entre los años 1904 y 1920, extrajo minerales de la mina “La Mexicana” en el centro de Famatina.
Energía Química a Energía Eléctrica
En 1799, Volta construyó un dispositivo conocido como “pila de Volta”, formado por una columna de discos de cobre alternados con otros de cinc, entre los cuales se disponían rodajas de paños humedecidos con agua salada. Con este invento comenzó, sin duda, la época moderna de la electricidad, ya que desde entonces se dispuso de un aparato que garantizaba el flujo continuo de corriente eléctrica. Durante mucho tiempo, la pila de Volta fue el único generador utilizado y, a pesar de que la corriente obtenida era débil, demostró ser una fuente ilimitada.
Esta transformación de energía química en eléctrica está presente en las pilas y acumuladores. Contribuyó a que la ciencia química se convirtiera en una de las más importantes en nuestros días.
Energía Eléctrica a Energía Magnética y Mecánica
En 1820, Ørsted (profesor de física) descubrió, mientras intentaba demostrar a sus alumnos los efectos caloríficos de la corriente eléctrica mediante la incandescencia de un hilo de platino, un fenómeno inesperado. Casualmente, sobre su mesa había una brújula cerca del hilo metálico. Al cerrar el circuito, todos contemplaron que, al circular corriente por el conductor, la aguja de la brújula se desviaba, dejando de señalar al norte. Así concluyó: “La corriente eléctrica que circula por un conductor crea un campo magnético en el espacio que lo rodea”.
Por otra parte, descubrió que cuando colocaba el conductor debajo de la brújula, su efecto era totalmente opuesto al que obtenía al colocarlo sobre ella.
Michael Faraday, científico británico, inventó el dispositivo electromagnético más útil en sus aplicaciones, al que llamó electroimán.
Los principios físicos descubiertos por Ørsted y las aplicaciones de Faraday fueron el puntapié inicial para la construcción y el desarrollo de los motores eléctricos, responsables de transformar la energía eléctrica en magnética y, posteriormente, en mecánica.
Energía Mecánica a Energía Magnética y Eléctrica
Diez años después de que Faraday inventara el electroimán (1821), este mismo científico creó la dínamo. Este sistema técnico realiza el proceso inverso al del motor, produciendo electricidad a partir de la energía mecánica generada por el giro de un eje.
Aquel primer generador electromecánico era un pequeño solenoide (bobina hueca de alambre de cobre) y un imán en forma de barra que se movía manualmente en el interior de la bobina.
Faraday observó que su invento no generaba corriente continua (donde el voltaje permanece constante) como las pilas, sino corriente alterna (donde el voltaje cambia constantemente, pasando de positivo a negativo muchas veces por segundo). También observó que podía obtener el mismo resultado si era el solenoide el que se movía, manteniendo el imán quieto.
Un francés, innovando las ideas de Faraday, fijó dos bobinas de cobre y hizo girar un imán de herradura muy potente por debajo de estas.
El Agua como Fuente de Energía Mecánica
Ruedas Hidráulicas
Las ruedas hidráulicas son dispositivos movidos por el paso del agua. Estas se colocaban en ríos caudalosos para que el agua, al pasar con mucha fuerza, las hiciera girar y así movieran grandes piedras en lo que se conocía como molino hidráulico. También se colocaban en diques de contención que podían acumular agua, la cual luego era liberada para aprovechar ese caudal artificial.
Turbinas Hidráulicas
Fourneyron construyó turbinas que fueron muy eficaces, ya que tenían un rendimiento cuatro veces mayor que la rueda de paletas. Las turbinas que se utilizan hoy fueron pensadas y diseñadas en las dos últimas décadas del siglo XIX y son de tres tipos:
- Pelton: Consiste en una rueda que en su parte externa está dotada de paletas en forma de copa. Dos chorros de agua a alta presión se dirigen hacia la rueda. Este sistema técnico es más eficiente cuando el agua cae desde unos 150 metros, es decir, en cataratas o lagos de alta montaña. En estas condiciones, la elevada presión de agua necesaria se obtiene gracias a la diferencia de altura. Son eficientes, además, con flujos de agua de bajo caudal.
- Francis: Se utiliza en saltos de altura media. En este sistema, el agua se dirige, dentro de una carcasa exterior, hacia las aspas de la turbina. Es la más utilizada en el mundo.
- Kaplan: Se parece a la hélice de un buque. Posee cuatro aspas de gran tamaño y, además, su inclinación puede modificarse en el momento en que está funcionando, de acuerdo con las variaciones de la presión del agua. Este sistema técnico es muy eficiente con flujos de agua de baja presión.
Generación de Electricidad a Gran Escala: Hidroeléctricas
Las turbinas ya se habían inventado, y Faraday y sus seguidores habían entregado al mundo los principios de la generación de electricidad a partir del movimiento.
Todo esto dio lugar a la generación de energía eléctrica a gran escala en las CENTRALES HIDROELÉCTRICAS.
El agua como recurso energético es inagotable, ya que basta con que sea agua en movimiento.
Dos de las primeras centrales hidroeléctricas, cuya construcción comenzó en 1891, eran sumamente distintas entre sí. Una se ubicó en Alemania, en una pequeña cascada del río Neckar, y la otra en las cataratas del Niágara, entre Canadá y Estados Unidos.
La instalación de estas centrales no solo se puede realizar en cascadas y cataratas, sino también en los lechos de los ríos o mediante la creación de lagos artificiales.
Energía Eléctrica a Luz
Joseph Swan creó un objeto que producía luz a partir de la electricidad, utilizando conductores continuos de metal y carbón en un ambiente al vacío. Para lograr la lámpara eléctrica, tuvo en cuenta tres aspectos muy importantes:
- Conseguir un suministro eléctrico adecuado.
- Una sustancia con la que fabricar el filamento, capaz de soportar altas temperaturas.
- Lograr el vacío dentro de la bombilla.
Al mismo tiempo, en Estados Unidos, Thomas Alva Edison demostró el 21 de octubre de 1879 que su lámpara incandescente, consistente en un filamento de algodón carbonizado dentro de una bombilla al vacío, podía funcionar durante 40 horas.
Swan fue el primero que logró que el invento funcionara. Recordemos que las comunicaciones en aquel momento no eran demasiado veloces, por lo que no se puede afirmar que uno ‘robó’ la idea al otro.