V. LA ENERG�TICA
EN NUESTRO lenguaje se define as� la palabra energ�a: poder para obrar, fuerza de voluntad, vigor, tes�n en la actividad y causa capaz de transformarse en trabajo mec�nico.
Los animales, al alimentarse, est�n empleando un recurso energ�tico que les permite mantener en actividad su prodigioso organismo, realizar trabajos mec�nicos y mantener en funcionamiento su computadora cerebral.
Los antepasados del hombre, hace m�s de un mill�n de a�os, descubrieron c�mo afilar piedras al golpearlas una contra otra. Estas piedras, en su mano, se transformaban en un poderoso instrumento de defensa o para procurarse alimento. Lo que aprendi� fue que, al aplicar a la piedra la fuerza de su brazo, durante una distancia, �sta adquir�a una energ�a de movimiento que produc�a acciones importantes al descargar su energ�a contra un objeto. Un efecto similar se obten�a tomando con la mano una corta y gruesa rama de �rbol. Por supuesto, este razonamiento t�cnico es a posteriori.
En tiempos m�s recientes, el antepasado del hombre, el llamado hombre de Pek�n, aprendi� a usar la energ�a del fuego. El fuego es una energ�a qu�mica que se produce al quemar el carb�n de la madera, en una atm�sfera de ox�geno, produci�ndose bi�xido de carbono, que es un gas.
Hace decenas de miles de a�os, el hombre usaba en su provecho la energ�a cin�tica o de movimiento del hacha, el mazo y la lanza. Descubri�, adem�s, c�mo fabricar proyectiles con mucha energ�a cin�tica. En la honda, la piedra va adquiriendo su gran velocidad, a trav�s de un largo recorrido circular de varias vueltas. Con la cerbatana, el dardo va adquiriendo su energ�a a lo largo de su recorrido en el tubo o carrizo.
El descubrimiento del arco y la flecha transform� al hombre en poderoso cazador y guerrero. La flecha adquiere su energ�a durante la distancia en que la cuerda en tensi�n le aplica una fuerza a la flecha.
Al dejar caer un cuerpo desde cierta altura, obrar� sobre �l una fuerza (su propio peso) sobre un cierto recorrido (la altura) por lo que al caer al suelo llevar� una energ�a de movimiento o energ�a cin�tica que estar� dada por:
Energ�a cin�tica = Peso por altura
Un cuerpo que se mueve tiene energ�a de movimiento y en la f�sica de Galileo y Newton se demuestra que:
Energ�a cin�tica = Masa por (velocidad al cuadrado) entre dos
O sea que si un coche se mueve al doble de la velocidad de otro igual, su energ�a ser� cu�druple que la del coche lento, porque su energ�a depende del cuadrado de su velocidad, y si el r�pido tiene una velocidad triple que la del lento, su energ�a cin�tica ser� 9 veces mayor.
En la f�sica la energ�a se mide en joules. Una masa de un kilogramo al caer de una altura de un metro al nivel del mar, adquiere una energ�a de 9.81 joules (9.81 es la aceleraci�n de la gravedad al nivel del mar).
El hombre ha aprendido a usar las seis diversas formas de energ�a que se conocen y a transformar un tipo de energ�a en otro.
Energ�a mec�nica. Existe en dos formas, la cin�tica y la potencial. Cuando un ni�o se mueve en un columpio, hay un momento en que se encuentra en reposo, en este caso se dice que tiene energ�a potencial, porque se encuentra en la altura m�xima y la gravedad puede obrar y devolverle su energ�a cin�tica. Cuando est� en el punto m�s bajo, su energ�a cin�tica es m�xima y en este caso la potencial es m�nima.
El calor. El vapor de una caldera, al pasar a un cilindro, lo mueve y hace girar a las ruedas de la m�quina. Los motores de gasolina trabajan por el calor de los gases que estallan dentro de los cilindros, haciendo que se muevan los pistones.
Energ�a radiante. Cubre un espectro muy amplio, que comprende las ondas de radio y televisi�n, la luz infrarroja, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos x y los rayos gamma de las radiaciones nucleares.
Energ�a qu�mica. Proviene de la transformaci�n de unos productos qu�micos en otros. Los alimentos, los combustibles y los explosivos, son fuentes de esta energ�a.
Energ�a el�ctrica. El hombre aprendi� a emplear esta energ�a, a partir de:
La energ�a qu�mica en pilas y acumuladores, o en plantas termoel�ctricas por medio de la combusti�n.
La energ�a mec�nica, a partir de la energ�a cin�tica del agua que cae de una presa, del viento o de las mareas.
La energ�a radiante que nos llega del Sol.
La energ�a calor�fica contenida en las capas terrestres (energ�a geot�rmica).
Energ�a nuclear. Es la fuente m�s reciente de energ�a. Proviene de transmutaciones de los n�cleos de los �tomos. Usada con fines exclusivamente pac�ficos, puede ayudar a proporcionar la energ�a necesaria para las f�bricas, la agricultura y las comunicaciones. A fines del siglo, el combustible b�sico en el mundo volver� a ser el carb�n, y en los pa�ses con pocas reservas de este energ�tico, como M�xico, la energ�a nuclear ser� de gran valor.
El Sol se mantiene caliente, gracias a que el uranio que contiene se est� fisionando ya que su hidr�geno se est� fusionando para formar n�cleos de gas helio. En otras palabras, el Sol es un enorme reactor nuclear y la energ�a nuclear que produce y ha producido, a un ritmo pr�cticamente constante, ha permitido la existencia de vida en la Tierra.
Los cient�ficos usan la siguiente notaci�n para representar n�meros muy grandes: el n�mero diez con un numerito arriba y a su derecha (exponente), nos indica el n�mero de ceros que debemos agregar al n�mero uno. Para las computadoras "E" significa exponente.
106 = 1,000,000 (un uno seguido de seis ceros) = 10E+6
un exponente negativo (-6), significar�
10-6 = 1/1,000,000 un millon�simo = 10E-6
La tabla siguiente nos da una idea aproximada de las energ�as asociadas con
algunos fen�menos.
| Ca�da de un kilogramo desde un metro | 10 joules | |
| Dosis mortal de rayos X |
I |
|
| Quemar un cerillo |
I |
10E+3 joules |
| Bala de fusil |
I |
|
| Coche peque�o a 60 kil�metros por hora |
|
10E+5 joules |
| Comida de un d�a |
|
10E+7 joules |
| Recorrido de 1 000 kil�metros en coche
grande |
|
10E+9 joules |
| Bomba nuclear mediana |
I |
|
| Hurac�n mediano |
I |
10E+15 joules |
| Volc�n en erupci�n |
I |
|
| Gran terremoto |
|
10E+19 joules |
| Energ�a que la tierra recibe del Sol
en 30 minutos |
I |
10E+21 |
| Todas las bombas nucleares almacenadas |
I |
|
| Energ�a de rotaci�n de la Tierra |
|
10E+30 joules |
| Energ�a de movimiento de la Tierra en
su �rbita |
|
10E+33 joules |
| Energ�a radiada por el Sol anualmente |
|
10E+34 joules |
| Explosi�n de una estrella supernova |
|
10E+40 joules* |
| *Nota: 10E+40 significa un uno seguido de cuarenta ceros.
|
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En la construcci�n de sus templos y pir�mides, los antiguos utilizaron las llamadas m�quinas simples. Los estudios de Arqu�medes sobre las palancas nos muestran sus conocimientos respecto a las palancas, las poleas, el plano inclinado y el tornillo. �l hizo ver que la reducci�n de la fuerza empleada con cualquiera de estas m�quinas se compensaba con su aplicaci�n durante un recorrido mayor, o sea que el trabajo realizado (fuerza por distancia) se manten�a el mismo con o sin la m�quina simple. �ste fue un primer paso hacia el principio de la conservaci�n de la energ�a que los f�sicos Mayer y Joule establecieron en 1842, y que dice la energ�a no se crea ni se destruye, s�lo puede transformarse de una forma de energ�a en otra.
Los griegos sab�an c�mo emplear la energ�a potencial o de altura del agua, para mover la rueda de un molino y por medio del tornillo de Arqu�medes, transformar trabajo mec�nico para subir agua a cierta altura.
Hace mucho tiempo, la fuerza humana era la �nica disponible para sembrar, viajar, cazar, edificar y manufacturar armas y objetos. Despu�s se ayud� con el empleo de la fuerza de diversos animales, como el perro, el caballo y el toro, a los que pudo domesticar. Posteriormente aprendi� a usar la energ�a cin�tica y potencial del agua de los r�os para realizar trabajo mec�nico, y la del viento, en la transportaci�n en r�os, lagos y mares. Por �ltimo, aprendi� a transformar todas las formas de energ�a en trabajo mec�nico. En pa�ses desarrollados, el trabajo realizado por las m�quinas es dos mil veces superior al trabajo humano que podr�an realizar las personas que en �l viven.
Al quemar madera, el carb�n que contiene se combina con el ox�geno del aire para formar un nuevo compuesto, el bi�xido de carbono, que es un gas, y se libera gran cantidad de energ�a.
Un antepasado del hombre actual, el hombre de Pek�n, usaba el fuego en su provecho, hace unos 500 000 a�os. Esto se sabe por la enorme cantidad de cenizas encontrada en las cuevas que habitaba.
Hace 50 000 a�os el hombre moderno hab�a heredado de sus antepasados el uso de este poderoso energ�tico, el fuego, o sea la combusti�n qu�mica.
Durante cientos de miles de a�os, el principal energ�tico del hombre y sus antepasados fue la madera.
Hace un siglo, el carb�n mineral pas� a ocupar el primer lugar.
Hace medio siglo, los hidrocarburos (petr�leo y gas) se transformaron en el energ�tico principal, lugar que mantendr�n hasta principios del pr�ximo siglo, cuando el carb�n mineral ocupar� nuevamente ese lugar.
Dentro de veinte a�os, cuando las reservas de los hidrocarburos hayan disminuido notablemente, muchos pa�ses del mundo contar�n con reservas importantes de carb�n mineral. La URSS, Estados Unidos, Canad�, Australia, China y varios pa�ses europeos, cuentan con reservas de carb�n mineral para seguir operando por unos cien a�os.
Los pa�ses de Latinoam�rica y muchos de �frica que no cuentan con reservas, ni siquiera modestas, de carb�n mineral, deber�n emplear otros energ�ticos y en particular, a corto plazo (dentro de varias d�cadas), la energ�a nuclear.
Otros energ�ticos qu�micos que tuvieron y tienen una gran trascendencia en el desarrollo de la humanidad, son la p�lvora, la dinamita y la nitroglicerina.
Hace dos mil a�os, en Egipto, Her�n de Alejandr�a construy� la primera m�quina de vapor que transform� energ�a calor�fica en trabajo mec�nico (Figura 10). El vapor producido en una caldera pasa a una esfera que puede girar alrededor de un eje y tiene dos chiflones por donde escapa el vapor. La esfera gira por el mismo principio por el que se mueve un cohete o un globo al que se le escapa el aire, esto configura la ley de la acci�n y la reacci�n de Newton.
Despu�s de este descubrimiento, el mundo tuvo que esperar a que llegaran Galileo y sus disc�pulos para que se volviera a estudiar el comportamiento de los gases y vapores.
Galileo fue el primero en estudiar el calor que contienen los cuerpos calientes y para ello construy� el primer term�metro que se basaba en que el gas contenido en un recipiente se expande o dilata al calentarse.
Existen numerosas maneras de calentar un cuerpo. Una de ellas es empleando la energ�a del fuego o sea la energ�a qu�mica. (Nuestro cuerpo se mantiene caliente gracias a la energ�a qu�mica que ingerimos en forma de alimento). Otra es absorbiendo la energ�a radiante que nos llega del Sol o de otro cuerpo caliente. Una m�s es por medio de la energ�a el�ctrica. La energ�a mec�nica, a trav�s de la frotaci�n, tambi�n produce calentamiento.
El calor que contiene un cuerpo puede emplearse en producir un trabajo mec�nico.
Como una aplicaci�n de su ley de la acci�n y la reacci�n, Newton ide� un autom�vil de cuatro ruedas movido por el chorro de vapor que sal�a de una caldera a trav�s de un escape dirigido hacia atr�s. Este coche nunca se construy�, pero todos hemos visto como se mueve un globo cuando se le sale el aire por la boquilla, que es el mismo principio.
Denis Papin (1647-1712). F�sico franc�s. Fue asistente de dos grandes f�sicos, el holand�s Huygens y el ingl�s Boyle. Trabajando con peque�as calderas de vapor, descubri� la hoy llamada olla expr�s, en la que se aumenta, en un recipiente herm�tico, la presi�n y la temperatura de ebullici�n del agua con objeto de cocinar los alimentos r�pidamente (Figura 40). Introdujo en las calderas v�lvulas de seguridad que evitaban que la presi�n aumentara m�s de lo debido y destruyera el equipo. Fue el primero en producir vapor dentro de un cilindro que conten�a un pist�n y lograr que el vapor moviera al cilindro, produci�ndose as� el segundo motor de vapor.
Despu�s de Papin hubo investigadores que continuaron estos trabajos hasta llegar a los coches y las m�quinas de vapor.
Figura 40. Olla expr�s de Papin para cocinar alimentos. Se encuentra en el Conservatoire des Arts et M�tiers de Par�s.
Tom�s Newcomen (1663-1729). Ingeniero ingl�s. Perfeccion� la m�quina de vapor y la emple� en extraer agua de las minas. Al entrar vapor a un cilindro, mov�a un pist�n y el cilindro se calentaba; para moverlo en sentido contrario se le echaba agua para enfriarlo, y al condensarse el vapor, se hac�a vac�o y este regresaba al pist�n. Por 1770 hab�a unas cien m�quinas de Newcomen trabajando en las minas inglesas. �stas eran muy ineficientes porque se perd�a mucha energ�a en calentar y despu�s enfriar los cilindros. Las m�quinas empleaban carb�n mineral.
Jos� Cugnot (1725-1804). Ingeniero militar franc�s. En 1765 construy� el primer autom�vil o m�quina que usara vapor para moverse de un lugar a otro. El autom�vil de tres ruedas, ten�a en la parte delantera una rueda y la caldera. El vapor mov�a a un pist�n que a su vez mov�a la rueda delantera. El autom�vil estaba destinado a arrastrar piezas de artiller�a.
En 1770 construy� otro modelo mayor, que deb�a transportar una carga de cuatro toneladas a una velocidad de cuatro kil�metros por hora. Estos autom�viles trabajaron, aunque su manejo era dif�cil y en las primeras pruebas derrib� una pared, sin que el veh�culo se da�ara mucho. Este autom�vil se encuentra actualmente, en el Conservatoire des Arts et Meti�rs de Par�s (Figura 41).
Figura 41. Esquema del automóvil de vapor de Cugnot, que se encuentra
en el Conservatoire des Arts et M�tiers de Par�s.
Para facilitar su operaci�n las siguientes m�quinas de vapor se montaron en rieles y as� naci� el ferrocarril.
Roberto Fulton (1765-1815). Inventor norteamericano. Trat� de emplear el vapor en la construcci�n de un submarino, al que llam� Nautilus, y que setenta a�os despu�s inspir� a Julio Verne su famosa novela.
Trat� de venderle su idea primero a Napole�n y despu�s a Inglaterra, pero sus experimentos no tuvieron �xito. Posteriormente trat� de mover un barco con vapor en el r�o Sena y tambi�n fracas�.
En 1806 regres� a Estados Unidos, donde construy� un barco, el Clermont, en el que unas paletas mec�nicas eran movidas con un motor de vapor. El barco naveg� por el r�o Hudson, de Nueva York a Albany en treinta y dos horas. En poco tiempo construy� una flota de barcos que trabajaron eficientemente.
Jaime Watt (l736-l8l9). Ingeniero ingl�s. Perfeccion� la m�quina de vapor al agregar un condensador externo al cilindro, donde el vapor se condensaba, evitando la necesidad de calentar y enfriar el cilindro. Con esto, las m�quinas se volvieron m�s eficientes y el consumo de carb�n se redujo a la tercera parte del necesario con las m�quinas de Newcomen. En las m�quinas de Watt el cilindro siempre estaba caliente y el condensador siempre fr�o.
Invent� el pist�n de doble acci�n, en el que el vapor entraba primero por la izquierda y mov�a el pist�n a la derecha y despu�s entraba por la derecha, moviendo al pist�n a la izquierda y as� sucesivamente.
Estos motores tuvieron gran repercusi�n cuando se emplearon en los telares ingleses, siendo factor preponderante de la revoluci�n industrial que se inici� en Inglaterra.
En su honor, la unidad de potencia (trabajo realizado en un segundo) se mide en watts.
Ricardo Trevithick (1771-1838). Ingeniero de minas ingl�s. Fue el primero a quien se le ocurri� poner una m�quina de vapor sobre rieles de hierro, dando origen al ferrocarril. En 1804, su m�quina de un cilindro horizontal arrastr� cinco carros durante cuatro horas por catorce kil�metros. En el tren viajaban 70 personas y llevaba una carga de nueve toneladas de lingotes de hierro.
Jorge Stephenson (1781-1848). Inventor ingl�s. Perfeccion� la locomotora. En 1825 una de sus m�quinas movi� treinta y ocho carros a una velocidad de veinticinco kil�metros por hora.
En 1830 estableci� una l�nea ferroviaria entre Liverpool y Manchester, Inglaterra.
Sadi Carnot (1796-1832). F�sico franc�s. Desarroll� una teor�a sobre la forma como el calor puede transformarse en trabajo mec�nico. Las m�quinas de vapor perfeccionadas por Watt ten�an una eficiencia de 7%, es decir, el 93% de la energ�a empleada se desperdiciaba.
Carnot observ� que para realizar un trabajo mec�nico a partir del calor se necesitaba disponer de un cuerpo caliente y de uno fr�o (o menos caliente). En el caso de las m�quinas de vapor, la temperatura del vapor corresponde al cuerpo caliente (Tc) y la temperatura del agua en el condensador (Tf ), a la temperatura del cuerpo fr�o. Carnot demostr� que la eficiencia m�xima que puede obtenerse, depende de la diferencia de temperaturas en la m�quina (Tc-Tf ).
En otras palabras, si disponemos s�lo de un cuerpo muy caliente, no podemos producir un trabajo mec�nico, a menos que consigamos un cuerpo fr�o (o menos caliente).
Para las temperaturas normales de operaci�n de las m�quinas, una buena aproximaci�n a la eficiencia m�xima que puede obtenerse es la siguiente,
En donde las temperaturas se miden a partir de la temperatura m�s baja que pueda existir (temperatura absoluta o Kelvin).
La temperatura Kelvin = temperatura cent�grada + 273, esto es, que el hielo se funde a 273 grados Kelvin y el agua hierve, al nivel del mar, a 373 grados Kelvin.
Si por ejemplo tenemos una m�quina en la que el vapor tiene una temperatura de 150 grados cent�grados (423 grados Kelvin) y la temperatura fr�a del condensador es de 20 grados cent�grados (293 grados Kelvin), la eficiencia m�xima que podr�a obtenerse ser�a de un 30% y, en la pr�ctica, menor.
En la f�rmula vemos que la eficiencia aumenta cuando la diferencia de temperatura entre el cuerpo caliente y el fr�o aumenta. A continuaci�n, grandes l�neas de ferrocarril se tendieron principalmente en Estados Unidos y Rusia, mientras que los coches de vapor tuvieron poca importancia. Las cosas cambiaron cuando el franc�s Lenoir construy� el primer motor de combusti�n interna y �ste fue perfeccionado por el franc�s Beau de Rochas y el alem�n Otto.
Juan Jos� Lenoir (1822-1900). Inventor belga-franc�s. Fue el primero en construir un motor de combusti�n interna que trabajaba con gas de alumbrado como combustible. Construy� el primer autom�vil y la primera lancha que trabaj� con un motor de combusti�n interna (antes que �l se construyeron coches y barcos movidos con motores de vapor).
Los motores de Lenoir eran muy deficientes y fueron perfeccionados en teor�a por Beau de Rochas, quien ide� el motor de cuatro tiempos, y por Otto que fue el primero que lo fabric�.
Nicol�s Augusto Otto (1832-1891). Inventor alem�n. Fue el primero en construir los motores de cuatro tiempos, tambi�n llamados de Otto, que a�n se usan en los autom�viles modernos.
Durante el primer movimiento del pist�n, una mezcla de aire y gasolina entra al cilindro. Durante el segundo movimiento, la mezcla es comprimida por el movimiento del pist�n. Cuando la compresi�n es m�xima, una chispa hace explotar la mezcla, �sta se expande, mueve al pist�n y realiza el trabajo mec�nico. En el cuarto movimiento, el pist�n expulsa del cilindro los gases quemados y est� listo para realizar el siguiente ciclo.
Otto construy� su primer motor en 1876, y su compa��a vendi� en unos cuantos a�os 35 000 motores. El motor de Otto hizo posible el desarrollo de la industria automovil�stica y de la aviaci�n.
Rodolfo Diesel (1858-1913). Inventor alem�n. Desarroll� un nuevo tipo de motor similar al de Otto, pero que no usa buj�as. Por trabajar con derivados del petr�leo m�s pesados que la gasolina y m�s baratos, su uso resulta m�s econ�mico.
Al comprimir suficientemente el aire en el segundo movimiento, �ste aumenta de temperatura lo suficiente para iniciar la combusti�n del petr�leo que se inyecta por medio de una bomba, produci�ndose la combusti�n durante cierto recorrido del proceso de expansi�n. Cuando termina la combusti�n, los gases calientes contin�an expandi�ndose y as� el trabajo mec�nico realizado durante el movimiento del pist�n aumenta, lo mismo que la eficiencia. En estos motores no existe la explosi�n de un gas, sino la combusti�n controlada del petr�leo.
Los motores diesel eran m�s pesados por lo que en general se empleaban en grandes instalaciones, como barcos, ferrocarriles, plantas termoel�ctricas, plantas industriales y camiones grandes. En la actualidad, tambi�n se usan en los autom�viles.
Wernher von Braun (1912-1977). Ingeniero alem�n. Desarrollo el motor que hoy usan los aviones de propulsi�n a chorro o jets. En 1942, en parte gracias a sus esfuerzos, fue lanzado el primer cohete o misil, que empleaba uno de sus motores y que consist�a en un tanque donde se quemaba un combustible con ox�geno, y los gases producidos a alta temperatura y presi�n eran expulsados en cierta direcci�n. Por la ley de la acci�n y la reacci�n de Newton, sobre el cohete obra una fuerza que lo impulsa y acelera. Es el mismo principio que se aplica en el movimiento de los cohetes de p�lvora que inventaron los chinos hace muchos siglos (Figura 42).
Figura 42. Esquema de uno de los cohetes de Von Braun.
Los motores de los aviones modernos, como no llevan su propio ox�geno, deben emplear parte de la energ�a de los gases calientes en mover una turbina que comprima el aire de la atm�sfera para poder introducirlo en la c�mara de combusti�n del motor.
Existen en nuestro pa�s numerosas regiones que cuentan con mantos de roca caliente de los que se podr�a extraer grandes cantidades de energ�a.
El problema radica en c�mo extraer dicha energ�a de la roca. El m�todo m�s simple y econ�mico consiste en fracturar, por medio de explosiones nucleares subterr�neas, una peque�a parte de la roca caliente, e inyectar agua y extraer vapor a alta temperatura que puede transformarse, por medio de turbinas, en trabajo mec�nico o energ�a el�ctrica. La roca tambi�n puede fracturarse con explosivos qu�micos, pero el costo aumenta notablemente. Cuando la roca se enfr�a, se fractura otra zona pr�xima y se contin�a el proceso.
En el cap�tulo de electricidad, tratamos de su desarrollo a trav�s de los trabajos de Coulomb, Ohm, Ampère, Faraday y Maxwell.
La maravilla de este energ�tico radica en que cualquier otra forma de energ�a puede transformarse en energ�a el�ctrica, enviarla por un alambre y transformarla nuevamente en otra forma de energ�a. A esta flexibilidad se debe que la energ�a el�ctrica se use cada vez m�s en los hogares, las f�bricas y el campo.
Energ�a el�ctrica a partir de energ�a mec�nica. Un ejemplo es el d�namo de una bicicleta que transforma una rotaci�n en la luz de su l�mpara el�ctrica. En este principio (ley de Faraday) se basa la producci�n de la energ�a el�ctrica producida por las grandes ca�das de agua de las presas.
En las plantas termoel�ctricas, la energ�a qu�mica del petr�leo se transforma en energ�a mec�nica por medio de grandes motores Diesel y �sta a su vez se transforma en energ�a el�ctrica por medio de generadores o d�namos.
Energ�a el�ctrica de la energ�a qu�mica. En las pilas el�ctricas y en los acumuladores, la energ�a qu�mica se transforma directamente en energ�a el�ctrica.
Energ�a el�ctrica a partir de energ�a radiante. Las placas de silicio y otros elementos, al recibir energ�a radiante, la transforman directamente en energ�a el�ctrica. Por este m�todo trabajan sin bater�as algunas peque�as calculadoras, expos�metros de fot�grafos y sat�lites de comunicaciones.
Si en el futuro se logra producir estas placas a precios bajos y se aumenta su vida �til ante grandes calentamientos y fen�menos meteorol�gicos, se podr� obtener de muchas zonas �ridas una gran cantidad de energ�a el�ctrica.
Energ�a el�ctrica del calor. Si dos alambres de metales diferentes se sueldan en sus extremos, formando un anillo, y una de las soldaduras se coloca en contacto con un cuerpo caliente y la otra con un cuerpo fr�o, en el anillo se crea o se produce una corriente el�ctrica. Estas uniones, llamadas termopares el�ctricos, se emplean como term�metros para medir y controlar procesos industriales que se realizan en hornos a alta temperatura.
Energ�a nuclear en energ�a el�ctrica. La energ�a producida en los reactores nucleares se emplea en producir vapor de agua a alta temperatura que a su vez se transforma en trabajo mec�nico por medio de turbinas de vapor y posteriormente, por medio de d�namos, en energ�a el�ctrica.
La energ�a radiante es indispensable para la existencia misma de la vida.
La energ�a que nos llega del Sol ha mantenido en la superficie de la Tierra una temperatura que ha permitido la existencia de la vida durante cientos de millones de a�os. Esta radiaci�n permite que act�e la clorofila de las plantas y transforme la energ�a radiante en vida vegetal y de ah� la existencia de vida animal.
Newton encontr� que la luz blanca, que es energ�a radiante, est� formada por los siete colores del arco iris. Otros f�sicos encontraron que m�s all� del color rojo existen radiaciones que el ojo no ve y las llamaron infrarrojas, y que despu�s del violeta existen otras radiaciones invisibles al ojo humano, pero no a los instrumentos, las ultravioletas.
Maxwell, al desarrollar su famosa teor�a electromagn�tica de la luz, demostr� que la luz es un fen�meno electromagn�tico y encontr� que deb�an existir otros tipos de ondas electromagn�ticas. �stas han dado lugar a las ondas de radio, las de televisi�n y las microondas. Los rayos X y la radiaci�n gamma que emiten las sustancias radiactivas tambi�n son ondas electromagn�ticas.
Toda onda tiene asociada una longitud de onda; en el caso de las ondas en el agua, �stas son visibles y es la distancia entre dos crestas pr�ximas. La frecuencia nos dice cu�ntas vibraciones se producen cada segundo. La zona visible cubre una peque�a parte del espectro de las radiaciones electromagn�ticas.
La mayor parte de la energ�a que nos llega del Sol es radiaci�n infrarroja y aun con los ojos vendados nuestra piel la siente, por la energ�a o calor que nos proporciona; igualmente sentimos la presencia de las radiaciones debidas al fuego, o al aproximar la mano a una plancha caliente.
La atm�sfera terrestre nos protege de la mayor parte de la luz ultravioleta que nos llega del Sol, sin embargo, si nos asoleamos, notamos sus efectos porque nos quema la piel y nos la hace m�s obscura.
Guillermo Roentgen (1845-1923). F�sico alem�n. Descubri� los rayos X. Investigando la luminiscencia que producen haces de electrones sobre ciertas substancias (como las empleadas en las pantallas de los televisores modernos), encontr� que de los tubos de rayos cat�dicos que empleaba en sus estudios sal�an radiaciones que hac�an luminosas estas sustancias aunque tuvieran que atravesar, para llegar a ellas, materiales opacos a la luz.
Como no sab�a que tipo de radiaci�n era la que hab�a descubierto, la llam� rayos x; por ser la letra X la que se usa en matem�ticas para expresar una inc�gnita.
Su descubrimiento lo realiz� en 1895, y en una conferencia dictada en enero de 1896 pidi� un voluntario del p�blico y le sac� la radiograf�a de su mano, en la que se ve�an claramente sus huesos.
Esta tecnolog�a ha resultado fundamental en el desarrollo de la medicina (Figura 43).
Figura 43. Esquema de un tubo de rayos X.
Desde el siglo pasado se comenz� a sospechar en la existencia de una nueva fuente de energ�a. Todos los esfuerzos que se hicieron para explicar por qu� el Sol ha permanecido a una temperatura pr�cticamente constante durante centenas de millones de a�os fracasaron. La vida en la Tierra, que cuenta ya millones de a�os, necesita de una radiaci�n solar pr�cticamente constante para subsistir. Al considerar la energ�a calor�fica y gravitacional del Sol, �ste deb�a enfriarse en relativamente poco tiempo debido a la enorme cantidad de energ�a que radia.
Parte de la inc�gnita se despej� en 1905, cuando Einstein desarroll� su famosa teor�a de la relatividad.
Alberto Einstein (1879-1955). F�sico alem�n. En 1905 public� varios trabajos, uno de ellos explicando el efecto fotoel�ctrico, o sea la emisi�n de electrones por sustancias, bajo la acci�n de la luz. Por este trabajo se le otorg� el premio Nobel en 1921.
Otro de los trabajos que public� ese a�o fue el desarrollo de la teor�a de la relatividad, que es la que nos interesa en este cap�tulo.
En la f�sica cl�sica de Galileo, Newton y Maxwell se requer�a de un �ter en el que el movimiento de los cuerpos fuera absoluto. Si un tren se mov�a respecto al �ter y una persona que viajaba en �l lanzaba una pedrada en direcci�n del movimiento del tren, desde el sistema del �ter la piedra se mover�a con una velocidad mayor, igual a la suma de la velocidad del tren m�s la velocidad con la que el pasajero lanz� la piedra.
La Tierra en su movimiento orbital se mueve con una velocidad de treinta kil�metros en cada segundo y por hacerlo alrededor del Sol en una �rbita casi circular, su velocidad actual ser� opuesta a la que tendr� dentro de medio a�o.
Siguiendo este razonamiento, Michelson y Morley trataron de medir el cambio en la velocidad de la luz emitida por una estrella, cuando la Tierra en su movimiento orbital se mueve hacia ella, comparada con el movimiento, seis meses despu�s, cuando la Tierra se aleja.
El experimento fracas� y no pudieron encontrar diferencia en la medida precisa que hicieron de la velocidad de la luz.
Este fracaso se convirti� en �xito, pues le sirvi� a Einstein para postular que la luz en el vac�o se propaga a la misma velocidad, sin importar que la fuente luminosa o el observador se muevan. Es decir, que Einstein descart� el �ter que se empleaba antiguamente, lo mismo que los movimientos absolutos. Todos los movimientos son relativos a otros sistemas. No hay sistemas absolutos y de ah� el nombre de la teor�a de la relatividad.
El resultado m�s espectacular de esta teor�a es su postulado de que la masa es una forma de energ�a. Antes de Einstein, el griego Epicuro y el franc�s Lavoisier establecieron el principio de la conservaci�n de la masa, y por otro lado, Joule y Helmholtz el de la conservaci�n de la energ�a. Ahora estos dos principios se unen para tener la conservaci�n del sistema masa-energ�a.
La ecuaci�n encontrada por Einstein para la equivalencia entre masa y energ�a es:
energ�a igual a masa por el cuadrado de la velocidad de la luz en el vac�o.
Como la velocidad de la luz en el vac�o es enorme, c = 300 000 000 metros por segundo, y su cuadrado mucho mayor, c² = 90 000 000 000 000 000, peque�as cantidades de materia, contienen cantidades enormes de energ�a.
Einstein no encontr� la manera de transformar la masa en energ�a mec�nica u otra forma de energ�a, pero su resultado condujo a otros cient�ficos a descubrir la energ�a nuclear y as� encontraron el origen de la energ�a del Sol y las estrellas y como transformar la masa en energ�a.
Investigaciones iniciales de la energ�a nuclear. El origen de la energ�a nuclear se remonta a fines del siglo pasado cuando, en Francia, Becquerel descubri� la radioactividad del uranio y los esposos Curie los elementos polonio y radio. Por estos trabajos, los tres recibieron el premio Nobel en 1903.
En esa misma �poca, Thomson, en Cambridge, Inglaterra, descubre el electr�n que es una part�cula mucho m�s peque�a que los �tomos (antes considerados lo m�s peque�o). Los �tomos est�n formados por part�culas menores. Posteriormente demostr� que existen dos is�topos del elemento qu�mico ne�n, es decir dos �tomos de ne�n que tienen diferente peso e iguales propiedades qu�micas. En 1906 recibi� el premio Nobel por el descubrimiento del electr�n. Fue un gran formador de investigadores como lo demuestra el hecho de que siete de sus asistentes en Cambridge recibieran el premio Nobel.
Ernesto Rutherford (1871-1937). F�sico neozeland�s. Fue asistente de Thomson y la primera persona en realizar una transmutaci�n de los elementos: algunos �tomos de nitr�geno los cambi� en ox�geno. Estudiando la radiaci�n emitida por las sustancias radioactivas, observ� que hay tres diferentes tipos de radiaciones, una llamada alfa formada por part�culas positivas que resultaron ser n�cleos de helio, otra llamada beta, constituida por electrones y una tercera, a la que llam� gamma, que son radiaciones electromagn�ticas similares a los rayos X.
En 1917 observ� que proyectando part�culas alfa (n�cleos de helio) en un recipiente con nitr�geno, se produc�an algunas part�culas penetrantes que resultaron ser protones o sea n�cleos de hidr�geno y se formaron �tomos de ox�geno.
De cada 300 000 part�culas alfa, emitidas por las sustancias radiactivas, una produc�a la transmutaci�n de un �tomo de nitr�geno en uno de ox�geno.
En esa forma, Rutherford descubri� otra part�cula subat�mica, el prot�n, que cuando se combina con un electr�n forma un �tomo de hidr�geno.
Al proyectar Rutherford part�culas alfa contra pel�culas delgadas de diversos elementos, observ� que estas eran desviadas de su trayectoria, y en algunas ocasiones casi en direcci�n opuesta a la inicial. Rutherford lo interpret� como que la part�cula alfa, que tiene carga el�ctrica positiva, era rebotada por una repulsi�n el�ctrica producida por un peque�o n�cleo at�mico, tambi�n positivo (dos cargas el�ctricas positivas, se repelen de acuerdo con la ley de Coulomb).
Del estudio de estas colisiones, pudo deducir qu� tanto se acercaba la part�cula alfa al n�cleo at�mico, de donde calcul� las dimensiones del n�cleo de los �tomos.
Para Rutherford, los �tomos est�n formados por un n�cleo pesado (de carga positiva), que se encuentra rodeado de electrones (de carga negativa) en forma similar a los planetas alrededor del Sol. Los electrones conservan sus �rbitas por la atracci�n el�ctrica entre cargas opuestas.
Normalmente, las cargas positivas del n�cleo son de la misma magnitud que las negativas de los electrones y los �tomos parecen no tener carga el�ctrica. Si se arranca uno de los electrones, el �tomo muestra una carga total positiva y se llama �tomo ionizado.
Para realizar estos estudios, Rutherford tuvo que contar con m�todos para detectar a las part�culas.
Al chocar una part�cula alfa (n�cleo de helio) o un prot�n (n�cleo de hidr�geno) o un electr�n, contra una pantalla fluorescente (como la de un televisor), produce un destello luminoso que puede observarse con anteojo o microscopio. Este m�todo fue empleado por Thomson en el descubrimiento del electr�n.
El ingl�s Wilson, asistente de Thomson, encontr� que si en una c�mara o recipiente que contenga vapores de agua y alcohol se efect�a una expansi�n por medio de un pist�n, se producir�n gotitas de agua o alcohol alrededor de los iones existentes. Si colocamos una sustancia radioactiva dentro de la c�mara, las part�culas alfa emitidas producir�n, a lo largo de sus trayectorias, la ionizaci�n del gas de la c�mara y sus trayectorias se har�n visibles por las gotitas que se forman a lo largo de ellas. A este instrumento se le llam� c�mara de Wilson y por este descubrimiento recibi� su inventor el premio Nobel en 1927.
El alem�n Geiger, asistente de Rutherford, invent� en 1913 el contador de radiaciones que lleva su nombre y que consiste en un tubo que contiene un gas especial con dos electrodos sometidos a un alto voltaje o potencial. Al pasar por el contador una part�cula ionizante (alfa, beta, gamma, prot�n), la ionizaci�n que producen en el gas es suficiente para producir en �ste una avalancha de corriente el�ctrica que puede detectarse en una bocina o moviendo la aguja de un medidor el�ctrico. Con este aparato se localizaron los dep�sitos de mineral de uranio.
Las emulsiones fotogr�ficas tambi�n detectan part�culas ionizantes, porque dejan en la emulsi�n su trayectoria que puede observarse con la ayuda de un microscopio.
Al pasar las radiaciones por algunos materiales transparentes, parte de su energ�a se transforma en luz, la que puede ser detectada con sensores especiales.
Existen en los pa�ses m�s desarrollados aceleradores de part�culas muy poderosas que producen haces de �tomos muy ionizados con gran energ�a, y velocidades que casi igualan la de la luz en el vac�o. Si estas part�culas se lanzan contra un blanco de peso medio, al chocar se desintegran en un gran n�mero de fragmentos. En la portada se muestran los fragmentos producidos al lanzar un �tomo de lantano de alta energ�a contra un n�cleo de lantano en reposo.
El blanco se encuentra dentro de una c�mara que contiene un gas que se ilumina a lo largo de las trayectorias de los fragmentos durante una peque�a fracci�n de segundo, pero que permite tomarles fotograf�as desde tres direcciones. La existencia de un campo magn�tico en la c�mara produce trayectorias curvas, cuyo radio de curvatura proporciona informaci�n sobre la masa y la energ�a de los pedazos. La luminosidad de la trayectoria aumenta con el peso o tama�o del fragmento.
En 1930 el f�sico alem�n Walther Bothe observ� que al bombardear el elemento berilio con part�culas alfa, se produc�a una extra�a radiaci�n que no pudo identificar, pero que al lanzar esa radiaci�n sobre parafina se produc�an protones.
La explicaci�n de este experimento la dio el f�sico ingl�s Jaime Chadwick en 1932, al descubrir que la radiaci�n misteriosa estaba formada por neutrones, part�culas sin carga el�ctrica que ten�an casi la misma masa del prot�n (unas dos mil veces la masa del electr�n).
Al chocar los neutrones, como bolas de billar, contra los n�cleos de los �tomos de hidr�geno, que son muy abundantes en la parafina, les comunicaba su energ�a y se emit�an los protones.
Werner Heisemberg (alem�n) sugiri� que todos los �tomos de los elementos estaban formados por un n�cleo peque�o y pesado, formado por protones y neutrones, a los que rodeaba una nube de electrones (negativos) en igual n�mero al de los protones (positivos) para producir �tomos neutros.
El n�mero de protones o de electrones del �tomo defin�a el elemento, uno para el hidr�geno, dos para el helio, hasta llegar a 92 para el uranio. El n�mero de neutrones s�lo cambiaba el peso del �tomo y as� se ten�an diferentes is�topos (el mismo lugar en la tabla peri�dica) de cada elemento.
Los f�sicos idearon aparatos (espectr�metros magn�ticos) para encontrar los is�topos de todos los elementos. El n�mero de part�culas en el n�cleo (nucleones = protones + neutrones) defini� el is�topo de cada elemento. Se encontr� el hidr�geno al que se llam� deuterio (un prot�n y un neutr�n) y el hidr�geno al que se llam� tritio (un prot�n y dos neutrones), y as� hasta llegar al uranio (U) con tres is�topos, U234, U235 y U238.
Los cient�ficos no quedaron satisfechos con saber cu�ntos is�topos de los elementos exist�an, sino que quisieron transmutar unos en otros, crear nuevos is�topos y tambi�n nuevos elementos no existentes en la naturaleza. Para eso inventaron los aceleradores de part�culas; emplearon los haces de neutrones y continuaron empleando part�culas alfa.
Juan Gockroft (1897- ). F�sico ingl�s. Invent�, con Ernesto Walton, un acelerador de protones (1932) y con �l bombardearon litio, produciendo en la reacci�n nuclear helio. Esta fue la primera reacci�n nuclear producida con un acelerador de part�culas.
El descubrimiento de la fisi�n nuclear
En 1938, poco antes del inicio de la segunda Guerra Mundial, hab�a en Europa tres importantes grupos de cient�ficos que empleaban los neutrones en sus investigaciones nucleares. El grupo de Roma, dirigido por Enrique Fermi, el grupo de Par�s por Federico Joliot-Curie y el grupo de Berl�n por Otto Hahn.
Fermi bombarde� con neutrones el elemento m�s pesado y �ltimo de la tabla peri�dica, el uranio. Buscaba la producci�n de elementos nuevos m�s pesados que el uranio (transur�nicos) y encontr� que se produc�a una mezcla de elementos dif�cil de interpretar.
Irene Curie hall� que uno de esos elementos ten�a propiedades qu�micas muy similares a las de un elemento de la parte media de la tabla peri�dica.
Otto Hahn descubri� que todos los elementos producidos ten�an propiedades qu�micas similares a los elementos que se encontraban en la regi�n central de la tabla peri�dica.
A principio de 1939, Otto Frisch y Lise Meitner, en el Instituto Bohr de Copenhague, dieron la explicaci�n de lo que en realidad suced�a: agregar un neutr�n al pesado n�cleo de uranio lo excitaba y lo divid�a en dos partes m�s o menos del mismo tama�o, como una gota de agua demasiado grande que se divide en dos. Se hab�a descubierto la fisi�n nuclear.
Las dos partes en que se divide el n�cleo tienen carga positiva (protones) y, por estar muy cerca uno de otro, sufren una fuerza el�ctrica de repulsi�n muy grande que los hace alejarse uno del otro con gran velocidad o sea que adquieren gran energ�a de movimiento. En otras palabras, se libera en esta reacci�n gran cantidad de energ�a. Visto el fen�meno desde la transformaci�n de masa en energ�a, de acuerdo con la f�rmula de Einstein, uno por mil de la masa original, se transform� en energ�a cin�tica.
Lo que es m�s importante, Joliot encontr�, a principios de 1939, que cuando un neutr�n fisiona a un n�cleo de uranio se producen dos o tres nuevos neutrones libres que pueden continuar fisionando otros n�cleos, es decir se puede producir una reacci�n nuclear en cadena.
Federico Joliot (1900-1958). F�sico franc�s. Se cas� con Irene Curie, hija de Pedro y Mar�a Curie. Fue colaborador de Mar�a Curie, y por la admiraci�n que por ella sent�a, cambi� su apellido a Joliot-Curie. Trabajando con su esposa, bombarde� aluminio con part�culas alfa, en 1934, y encontr� que se produc�a un nuevo is�topo del f�sforo que no exist�a en la naturaleza y que, terminado el bombardeo, segu�a emitiendo radiaciones. Hab�an encontrado la radiactividad artificial, que es importante en la medicina moderna.
Por este descubrimiento �l y su esposa recibieron el premio Nobel de Qu�mica en 1935.
Al ver que en la fisi�n nuclear se producen dos o tres neutrones que pueden continuar fisionando a otros n�cleos de uranio (reacci�n en cadena), present� al Centro Nacional de Investigaci�n Cient�fica de Francia (CNRS), en mayo de 1939, tres patentes secretas; las dos primeras para liberar energ�a en reactores nucleares de uranio y agua pesada y la tercera sobre cargas explosivas nucleares (Figura 44).
Figura 44. Reacci�n nuclear en cadena.
El estallido de la guerra ese mismo a�o oblig� a que se enviara a Inglaterra, en 1940, el agua pesada con que estaba investigando.
Por permanecer en Francia durante la ocupaci�n alemana, perdi� la oportunidad de construir el primer reactor nuclear, honor que le correspondi� al italiano Fermi en Estados Unidos.
Enrique Fermi (1901-1954). Notable f�sico italiano. Descubri� que cuando a los neutrones se les hace pasar por materiales que contengan mucho hidr�geno, como la parafina o el agua, debido a colisiones, como las de las bolas de billar, pierden velocidad, se vuelven lentos y son m�s f�cilmente capturados por otros n�cleos, siendo por lo tanto m�s efectivos para producir reacciones nucleares.
Tratando de producir elementos transur�nicos, lanz� estos neutrones contra uranio, iniciando as� las investigaciones que condujeron al descubrimiento de la fisi�n nuclear.
Por sus trabajos con neutrones recibi� en 1938 el premio Nobel de F�sica, y por ser su esposa jud�a, y ser �l enemigo del facismo, de Estocolmo pas� con su familia a radicar a Estados Unidos.
Un italiano (se naturaliz� norteamericano hasta 1945) dirigi� en la Universidad de Chicago la construcci�n del primer reactor nuclear de uranio natural, que empleaba grafito para hacer lentos a los neutrones. El reactor entr� en operaci�n el 2 de diciembre de 1942 y en esa fecha se inici� la era nuclear en que vivimos. Debe recordarse que, en ese tiempo, Estados Unidos estaba en guerra contra Italia.
El elemento transur�nico con 100 protones, producido artificialmente, recibi� el nombre de fermio en su honor.
Desarrollo de los usos pac�ficos de la energ�a nuclear
En diciembre de 1946 entr� en operaci�n el primer reactor nuclear sovi�tico en Sverdlovsk. Fue dise�ado por Igor Kurchatov, y fue el primero que produjo electricidad para uso p�blico. A�n se encuentra en operaci�n.
En agosto de 1947 entr� en operaci�n el primer reactor nuclear brit�nico.
En diciembre de 1948 entr� en operaci�n el ZOE, primer reactor nuclear franc�s.
En 1951 el reactor nuclear noruego-holand�s entra en operaci�n.
En 1959 el barco rompehielos Lenin con motor nuclear inici� sus operaciones.
A fines del siglo, cuando las reservas de hidrocarburos hayan disminuido notablemente y no sea posible ni conveniente seguirlas quemando, la energ�a nuclear, usada exclusivamente con fines pac�ficos, ser� de vital importancia para los pa�ses de Latinoam�rica, que por no tener reservas significativas de carb�n mineral, necesitar�n de todos los energ�ticos disponibles para sobrevivir.
La operaci�n de un reactor nucleoel�ctrico como el de Laguna Verde, M�xico, se muestra esquem�ticamente en la Figura 45.
Figura 45 Operaci�n del reactor nuclear de Laguna Verde, M�xico, en forma esquem�tica.
