Transformación de la energía

En general, la termodinámica estudia las transformaciones de energía a través del concepto de ciclos, o trayectorias cerradas compuestas por etapas de proceso a lo largo de un espacio de fases de dos variables termodinámicas. ^{[ 6 ]} Un ciclo que utiliza la transferencia de calor de caliente a frío para generar trabajo se denomina máquina térmica o ciclo de potencia. Las máquinas térmicas se pueden clasificar según el tipo de ciclo que implementan. Algunos ejemplos de ciclos que se pueden utilizar como máquinas térmicas incluyen el ciclo de Carnot , el ciclo de Rankine , el ciclo de Brayton y el ciclo de Stirling . Los diferentes ciclos tienen diferentes eficiencias máximas y pueden ser más o menos prácticos para su implementación en aplicaciones específicas. ^{[ 7 ]} El análisis termodinámico de una máquina térmica generalmente busca calcular cantidades como el trabajo realizado en cada etapa del proceso, el aporte de calor y la eficiencia global de la transformación de energía. La generación de energía para la red eléctrica se produce en sistemas como centrales de vapor , centrales eléctricas de carbón y turbinas de gas , que pueden describirse como diversos tipos de máquinas térmicas. ^{[ 6 ]}

Como se mencionó anteriormente, la cantidad de energía libre disponible siempre es estable o decreciente, ya que el calor no puede transformarse en trabajo con una eficiencia del 100%. Sin embargo, la conversión de energía libre a otros tipos de energía libre está limitada únicamente por la conservación de la energía, por lo que teóricamente puede ocurrir con una eficiencia del 100%. ^{[ 8 ]} Un proceso en el que no se pierde energía libre se denomina transformación reversible, mientras que los procesos con pérdidas se denominan transformaciones irreversibles. ^{[ 6 ]} Debido a la estrecha relación entre la termodinámica y la ciencia de la información , la reversibilidad juega un papel importante en la computación, especialmente en la computación cuántica , donde la generación de calor es particularmente indeseable. ^{[ 9 ]} La mayoría de los procesos de transformación de energía son irreversibles, y un destino hipotético del universo es que, eventualmente, toda la energía libre se convierta en calor difuso y equilibrado inútil. Este destino se conoce como " muerte térmica " o "la Gran Congelación". ^{[ 10 ]}

En la práctica, la conversión de energía libre en calor puede observarse como fricción , arrastre, resistencia eléctrica , creación directa de radiación electromagnética de onda larga o procesos similares. La fricción y el arrastre son mínimos en el vacío , donde, por ejemplo, la energía potencial gravitatoria puede convertirse en energía cinética y viceversa con pérdidas muy bajas durante las órbitas de los cuerpos celestes en el espacio exterior ; las leyes de Kepler esencialmente asumen que no se pierde energía libre. ^{[ 11 ]} De manera similar, los superconductores no tienen resistencia a la corriente continua y tienen baja resistencia a las corrientes alternas , por lo que la energía eléctrica puede usarse para realizar cálculos reversibles en cúbits superconductores . ^{[ 9 ]}

En una máquina térmica, el calor se puede convertir en trabajo aprovechando una diferencia de temperatura entre dos regiones. Una forma de escribir la segunda ley de la termodinámica es en términos de entropía. Esta formulación establece que el cambio total de entropía debido a cualquier proceso dado tiene dos componentes,${\textstyle (dS)_{f}}$y${\textstyle (dS)_{g}}$, correspondientes al flujo de entropía hacia un sistema desde su entorno y a la entropía generada dentro del sistema, respectivamente. ^{[ 6 ]} Debido a que la entropía total no puede disminuir,${\textstyle (dS)_{g}}$Siempre es mayor o igual que 0. El flujo de entropía está estrechamente relacionado con el flujo de calor.${\textstyle \delta Q}$y temperatura del proceso:

${\displaystyle (dS)_{f}={\frac {\delta Q}{T}}}$.

El flujo de calor que se utiliza para generar entropía disminuye la cantidad de calor disponible para realizar trabajo, reduciendo así la eficiencia del motor. Esta ecuación también implica que cuando un sistema está en equilibrio térmico , es decir, cuando el flujo de calor se ha detenido y la energía permanece constante, la entropía se maximiza. ^{[ 6 ]}

Para que la transformación de energía sea más eficiente, es deseable minimizar el número de pasos que convierten el calor en trabajo. Por ejemplo, la eficiencia de los reactores nucleares, donde la energía cinética de los núcleos se convierte primero en energía térmica y luego en energía eléctrica, ronda el 35 %. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Mediante la conversión directa de energía cinética en energía eléctrica, eliminando la transformación intermedia de energía térmica, la eficiencia del proceso de transformación de energía puede mejorarse drásticamente. ^{[ 14 ]}

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 gravitatorio se convierte directamente en calor. En Júpiter , Saturno y Neptuno , por ejemplo, este calor proveniente del colapso continuo de las grandes atmósferas gaseosas de los planetas sigue impulsando la mayor parte de sus sistemas meteorológicos. Estos sistemas, que consisten en bandas atmosféricas, vientos y poderosas tormentas, solo se alimentan parcialmente de la luz solar. Sin embargo, en Urano , este proceso es mínimo. Esto probablemente se deba a que el planeta emite muy poco calor interno en comparación con otros gigantes gaseosos, posiblemente debido a un impacto gigante pasado que liberó gran parte de su calor primordial o a una estructura interna que inhibe el transporte eficiente de calor. ^{[ 15 ]}

En la Tierra , una parte significativa del calor que emana del interior del planeta, estimada entre un tercio y la mitad del total, se debe al lento colapso de los materiales planetarios hasta reducir su tamaño, lo que genera calor.

Ejemplos conocidos de otros procesos similares que transforman la energía del Big Bang incluyen la desintegración nuclear, que libera energía que originalmente estaba "almacenada" 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 gravitatoria liberada por el colapso de las supernovas de tipo II para crear estos elementos pesados ​​antes de que se incorporen a sistemas estelares como el Sistema Solar y la Tierra. La energía contenida en el uranio se libera espontáneamente durante la mayoría de los tipos de desintegración radiactiva y puede liberarse repentinamente en las bombas de fisión nuclear . En ambos casos, una parte de la energía que mantiene unidos los núcleos atómicos se libera en forma de calor.

En una cadena de transformaciones similar que comenzó en los albores del universo, la fusión nuclear del hidrógeno en el Sol libera otra reserva de energía potencial creada durante el Big Bang. En aquel entonces, según una teoría , el espacio se expandió y el universo se enfrió demasiado rápido como para que el hidrógeno se fusionara completamente en elementos más pesados. Esto dio como resultado que el hidrógeno representara una reserva de energía potencial que puede liberarse mediante la fusión nuclear. Este proceso de fusión se desencadena por el calor y la presión generados por el colapso gravitacional de las nubes de hidrógeno al producir estrellas, y parte de la energía de fusión se transforma entonces en luz estelar. En el sistema solar, la luz estelar, proveniente mayoritariamente del Sol, puede almacenarse nuevamente como energía potencial gravitacional tras impactar la Tierra. Esto ocurre en el caso de las avalanchas o cuando el agua se evapora de los océanos y se deposita como precipitación a gran altura (donde, tras ser liberada en una central hidroeléctrica , puede utilizarse para accionar turbinas y generadores y producir electricidad).

La luz solar también impulsa muchos fenómenos meteorológicos en la Tierra. Un ejemplo es un huracán , que se produce cuando grandes áreas inestables de océano cálido, calentadas durante meses, liberan repentinamente parte de su energía térmica para generar unos días de violentos movimientos de aire. Las plantas también capturan la luz solar como energía potencial química mediante 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 en forma de calor y luz puede desencadenarse repentinamente por una chispa, en un incendio forestal; o puede estar disponible más lentamente para el metabolismo animal o humano cuando estas moléculas se ingieren y el catabolismo se activa por la acción de las enzimas.

A través de todas estas cadenas de transformación, la energía potencial almacenada en el momento del Big Bang se libera posteriormente mediante eventos intermedios, a veces almacenándose de diversas maneras durante largos periodos entre liberaciones, como energía más activa. Todos estos eventos implican la conversión de un tipo de energía en otros, incluido el calor.

Una central eléctrica de carbón implica estas transformaciones de energía: ^{[ 16 ] [ 17 ]}

1. La energía química contenida en el carbón se convierte en energía térmica al quemarlo en una caldera para producir gases de escape.
2. La energía térmica de los gases de escape en la caldera se convierte en energía térmica y energía cinética del vapor a alta presión mediante el intercambio de calor entre los gases y el agua de la caldera.
3. La energía cinética del vapor se convierte en energía mecánica a medida que el vapor fluye hacia una turbina.
4. La energía mecánica de la turbina se convierte en energía eléctrica al hacer girar el generador. Este es el resultado final.

En un sistema de este tipo, el primer y el cuarto paso son altamente eficientes, pero el segundo y el tercero lo son menos. Otros tipos de centrales eléctricas pueden ser más eficientes. Por ejemplo, en 2019, las centrales de gas natural en Estados Unidos convirtieron en general el 45 % de la energía almacenada en el combustible en energía eléctrica utilizable. ^{[ 18 ]} En comparación, las centrales de carbón convirtieron solo el 33 % de la energía almacenada en energía eléctrica.

En un automóvil convencional , se producen las siguientes transformaciones de energía:

1. La energía química del combustible se convierte en energía cinética del gas en expansión mediante la combustión.
2. La energía cinética del gas en expansión se convierte en movimiento lineal del pistón.
3. Movimiento lineal del pistón convertido en movimiento rotatorio del cigüeñal.
4. El movimiento giratorio del cigüeñal se transmitió al conjunto de transmisión.
5. El movimiento rotatorio salió del conjunto de transmisión
6. El movimiento rotatorio se transmite a través de un diferencial.
7. El movimiento rotatorio se transmitió desde el diferencial a las ruedas motrices.
8. El movimiento rotatorio de las ruedas motrices se convierte en movimiento lineal del vehículo.

Existen muchos sistemas diferentes, tanto naturales como artificiales, que actúan como transductores que convierten una forma de energía en otra. ^{[ 19 ]} A continuación se presenta una breve lista de ejemplos:

• Hidrólisis del ATP (energía química del trifosfato de adenosina → energía mecánica)
• Batería (electricidad) (energía química → energía eléctrica)
• Generador eléctrico ( energía cinética o trabajo mecánico → energía eléctrica)
• Calentador eléctrico (energía eléctrica → calor)
• Fuego (energía química → calor y luz)
• Fricción (energía cinética → calor)
• Pila de combustible ( energía química → energía eléctrica)
• Energía geotérmica (calor → energía eléctrica)
• Máquinas térmicas , como el motor de combustión interna utilizado en los automóviles o la máquina de vapor (calor → energía mecánica).
• Presa hidroeléctrica ( energía potencial gravitatoria → energía eléctrica)
• Lámpara eléctrica (energía eléctrica → calor y luz)
• Micrófono (sonido → energía eléctrica)
• Energía térmica oceánica (calor → energía eléctrica)
• Fotosíntesis (radiación electromagnética → energía química)
• Materiales piezoeléctricos (deformación → energía eléctrica)
• Transmisores de radio (energía eléctrica → energía de ondas electromagnéticas)
• Termoeléctrico ( calor → energía eléctrica )
• Energía undimotriz (energía mecánica → energía eléctrica)
• Molino de viento ( energía eólica → energía eléctrica o energía mecánica)