INTRODUCCIÓN

1. LA ENERGÍA ES DELEITE ETERNO¹

EN 1881, en la calle Pearl de la ciudad de Nueva York, Thomas Alva Edison, mejor conocido como "el mago de Menlo Park" construyó la que fue, junto con la estación Holborn Viaduct de Londres, la primera planta de potencia para generar energía eléctrica. La de Edison iluminaba parte de Nueva York mediante una instalación de alumbrado en paralelo. Antes de esa fecha, si fallaba alguna lámpara, ñtoda la ciudad se quedaba sin luz!, como sucede con las series de luces de los arbolitos de Navidad. Actualmente, ¿qué ocurriría si cuando fallara un foco toda la ciudad se quedara sin luz? Ni siquiera lo consideramos como una posibilidad. Conectar la clavija de cualquier aparato eléctrico nos parece lo más natural. Sin embargo, tener la posibilidad de hacerlo requirió de muchos años, desde que se descubrieron las leyes de la electricidad y el magnetismo hasta que se construyó la primera planta eléctrica de potencia.

Pero, a su vez, la construcción de la primera planta eléctrica necesitó la invención del foco, logro que disputaron Thomas A. Edison y Joseph Wilson Swan.

En el debate entre Edison y Swan, decía el primero, refiriéndose a Swan: "Ahí lo tienen. Tan pronto como alguien consigue hacer algo bueno, no faltan otros tipos que salen con la novedad de que hace años lograron lo mismo."

Swan, quien permaneció callado durante mucho tiempo, escribió en la revista Nature, en enero de 1880:

Hace quince años utilicé cartón y papel carbonizado en la fabricación de una lámpara eléctrica basada en el principio de la incandescencia. La hice en forma de herradura, tal como dicen ustedes que la está usando ahora el señor Edison. Entonces no logré obtener la duración que buscaba, pero desde entonces he hecho muchos experimentos y creo que durante los últimos seis meses conquisté completamente la dificultad que había causado mi anterior fracaso; ahora puedo producir una lámpara eléctrica duradera por medio de carbones incandescentes.

Años después, antes de que se realizara el juicio por la primacía del invento, Swan y Edison se unieron y formaron la compañía Edison and Swan United Electric Company, Ltd. que más tarde se convertiría en la General Electric.

En la época de Edison se producía energía eléctrica para iluminar las ciudades con los primeros focos eléctricos; el problema fundamental que éstos presentaban era no disponer de un filamento duradero (véase la figura 1).

Figura 1. Diagrama de un foco en el que pueden apreciarse las partes que lo componen.

Los avances tecnológicos se asimilan rápidamente. Sin embargo, olvidamos con facilidad la historia de su desarrollo y cuáles son sus principios de operación. La primera locomotora, por ejemplo, provocó serias protestas de los ingleses por las elevadas velocidades que alcanzaba. En México, la ciudadanía también protestó cuando aparecieron las primeras bicicletas que circulaban por la Alameda central; hoy, ¿cuántos ciclistas se atreven a circular por las calles de la capital? ¿Cuando prendemos un foco, sabemos que tiene un filamento de tungsteno y torio que permite que dure 750 horas encendido?

A través de los años el hombre ha perfeccionado la capacidad de hacer trabajos que requieran grandes esfuerzos físicos, para dejar a las máquinas las tareas pesadas y dedicarse a labores más creativas; sin embargo, como consecuencia ha aumentado el consumo de energía por habitante, el cual es más alto en los países desarrollados. Por otro lado, las máquinas han acortado el tiempo que se requería para desempeñar muchas actividades, por lo cual es fundamental producir energía utilizable a través de las diferentes fuentes. Cuando se habla de energéticos nos referimos al aprovechamiento de dichas fuentes, así como a su óptima utilización.

Los energéticos han evolucionado a lo largo de la historia. Primero se utilizó la energía mecánica de los músculos para efectuar las labores pesadas. Posteriormente, las "bestias" de carga y la tracción animal facilitaron aún más el transporte de cargas pesadas. Aquí vale la pena aclarar que los animales, incluido el hombre, necesitan de una fuente de energía fundamental para efectuar trabajo: los alimentos. De esta forma, los alimentos eran y son la fuente energética fundamental para desempeñar cualquier actividad.

La madera ocupó durante muchos siglos el primer lugar como fuente energética y hoy se sigue utilizando ampliamente, sobre todo en el campo. Desde que el hombre hizo la primera fogata, hasta ahora que se calienta en una chimenea casera, han pasado miles y miles de años. Posteriormente, el empleo del carbón ocasionó que se abandonara la leña como combustible fundamental. Además, su transformación en coque y el invento de la máquina de vapor marcaron un cambio tecnológico, económico y social de gran importancia: la Revolución Industrial.

Pocos años antes del inicio de la primera Guerra Mundial se empezó a emplear el petróleo y el gas. Antes de que terminara la segunda Guerra Mundial, Fermi realizó la primera reacción nuclear controlada y en la década de los años cincuenta aparecieron los primeros reactores nucleares comerciales, que aprovechan la energía calorífica producida por la fisión o rompimiento de los núcleos atómicos. En la década de los cincuenta y sesenta el petróleo y el gas desplazaron al carbón, situación que prevalece hasta nuestros días. Entre 1960 y 1985 proliferó la construcción de reactores nucleares, sobre todo en los llamados países desarrollados como EUA, Francia, la ex Unión Soviética (hoy Comunidad de Estados Independientes), Japón, la ex Alemania Federal, Inglaterra, etcétera. Posteriormente, los países en vías de desarrollo como India, Argentina, Brasil y México construyeron sus primeras centrales nucleoeléctricas.

Hasta 1990 había 424 reactores nucleares en todo el mundo. Actualmente se siguen construyendo centrales nucleoeléctricas, pero en un porcentaje decreciente, entre otras razones debido a los accidentes nucleares, los desechos radiactivos y los movimientos ecologistas internacionales. Algunos países, como México, que en la década pasada tenían un ambicioso programa nucleoeléctrico, han preferido continuar con el petróleo como principal fuente de energía y diversificar el aprovechamiento de ésta con distintas fuentes energéticas (geotermia, carbón, energía hidráulica, energía nuclear, energía solar y eólica). Pese a lo anterior, los recursos energéticos que posee cada país constituyen un factor importante para adoptar una política energética. Un país sin petróleo, carbón, geotermia y con baja insolación o soleamiento, difícilmente puede aprovechar distintas fuentes de energía.

La transformación de las fuentes de energía en diversas formas de energía utilizables nos proporciona gran cantidad de beneficios: tener electricidad, agua caliente, gas para cocinar, calefacción, refrigeración, ventilación, transporte, etcétera.

La energía hidráulica, la que se obtiene del petróleo, el gas, la energía eólica o de los vientos y la que se obtiene de la biomasa tienen un origen común: la energía del Sol. Por otro lado, las fuentes de energía que no tienen un origen solar son: la energía de la fisión nuclear, la geotermia y la que se obtiene de las mareas. La fusión nuclear es un caso aparte, dado que se reproducen en condiciones artificiales las reacciones termonucleares de fusión que tienen lugar en el núcleo de nuestra estrella: el Sol. La energía solar es producto de las reacciones de fusión nuclear que ocurren en el Sol; así, la energía que recibimos del Sol tiene como origen la energía nuclear.

Según una de las teorías más aceptadas, el petróleo, el gas y el carbón provienen de la descomposición de organismos vegetales y animales que vivieron hace 300 millones de años y que fueron sepultados bajo el suelo marino y continental. Por otro lado, en las plantas se lleva a cabo la fotosíntesis debido a la acción de los rayos solares y éstas almacenan aproximadamente el 1% de la energía solar recibida. Así, los combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón, la energía que se obtiene de las plantas, árboles, desechos orgánicos y los alimentos que consume el hombre son de origen solar. La energía que las centrales hidroeléctricas aprovechan de los ríos se debe a la evaporación del agua de los océanos, provocada por el calentamiento de los rayos solares. Posteriormente, al caer el agua desde diferentes alturas, se transforma la energía potencial de los ríos en energía eléctrica. El viento se origina por la diferencia de temperaturas en la atmósfera terrestre, provocada por la forma en que inciden los rayos solares, en combinación con la rotación de la Tierra.

Sin embargo, la energía solar se origina por la fusión de los núcleos atómicos, donde se funden elementos ligeros como el hidrógeno y en el proceso se liberan grandes cantidades de energía en forma de calor, que se calculan usando la famosa fórmula de Einstein que proporciona la equivalencia entre masa y energía: E=mc² (donde E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz); parte de la masa de los núcleos atómicos se transforma en energía calorífica, que es precisamente la que el Sol nos proporciona en forma de radiación. Por ejemplo, si se unen cuatro núcleos de hidrógeno se forma helio, electrones positivos (positrones), rayos gamma y calor. Si se calcula la masa de los productos antes y después de la reacción de fusión nuclear se observará una diferencia o defecto de masa faltante después de la reacción. Debido a que la energía debe conservarse antes y después de la reacción, la masa faltante se transforma en energía calorífica. En el caso de la reacción mencionada, cuando se fusionan cuatro núcleos de hidrógeno se produce un núcleo de helio, neutrinos, positrones, rayos gamma y se liberan 25.7 MeV ² (megaelectrón-volts) de energía calorífica. Para darse una idea de lo que representa esta cantidad, la fusión nuclear que tuviera lugar en un pequeño cuarto de dos metros por lado bastaría para producir más energía que el reactor de Laguna Verde.

2. UN ESTUDIANTE CON MUCHA ENERGÍA Y POCA POTENCIA

Cuando inclinamos la cabeza y fijamos la vista para leer estas líneas nuestro cuerpo está empleando 84 kilocalorías por cada hora de lectura. Pero esas 84 kilocalorías que empleamos para leer, el cuerpo las debe recuperar mediante nuestra fuente de energía: los alimentos. Un ser humano promedio debe consumir alimentos que le proporcionen 3 000 kilocalorías diarias.³

Pero ahora surge una pregunta: ¿por qué tenemos que recuperar la energía que invertimos en la lectura? La respuesta no es sencilla; para responderla tuvieron que pasar varios siglos hasta que se descubriera entre 1830 y 1850 el principio de la conservación de la energía, que afirma que ésta no se crea ni se destruye, únicamente se transforma, o expresada esta idea en forma general: la energía del Universo se mantiene constante.

Volviendo a nuestro caso, la energía que nos proporcionan los alimentos se transforma en energía utilizable para desempeñar todas nuestras actividades. Para aquellos que se estén quedando dormidos, sólo mencionaremos que se consumen 500 kilocalorías durante 8 horas de sueño (alrededor de 1/6 de la energía que necesitamos diariamente), pues el organismo humano requiere cierta cantidad de energía para que todos los órganos trabajen adecuadamente y se lleven a cabo los procesos fisiológicos del organismo (esta cantidad se denomina metabolismo basal y corresponde a más de la mitad de la energía que consumimos a través de los alimentos).

Antiguamente se creía que podía existir una máquina capaz de moverse indefinidamente y se le denominó móvil o máquina de movimiento perpetuo (véase el recuadro 1). Una máquina cuyo único resultado fuera extraer calor y convertirlo íntegramente en trabajo sería un móvil perpetuo de segunda clase; es decir, una máquina que efectuara trabajo sin una fuente externa de energía. Los beneficios que nos reportarían estas máquinas serían invaluables; sin embargo, las leyes de la termodinámica se han encargado de demostrar que su construcción es imposible.

Recuadro 1

Lázaro Carnot y La Real Academia de Ciencias de París. En el año de 1775, la Academia de Ciencias de París había tomado una decisión: no examinaría ninguna solución a los problemas de la duplicación del cubo, la cuadratura del círculo, ni analizaría ninguna máquina de movimiento perpetuo. Lázaro Carnot, padre de Sadi Carnot, también había declarado: "es inútil que se les explique que toda máquina se reduce a una palanca; al parecer el símil se les hace demasiado vago y confuso. Yo puedo demostrarles no solamente que toda máquina abandonada a sí misma tiene que detenerse, sino que además, puedo señalar el instante preciso en que debe hacerlo."

Por ejemplo, si tomamos una rueda y le damos un impulso inicial para que gire, al cabo de un tiempo la fricción provocará que parte de la energía que se utilizó para moverla por un lado se transforme en energía calorífica del aire que la rodea y por el otro ocasione el calentamiento de la rueda. Así, la fricción provocará que la rueda se detenga.

La ley de la conservación de la energía se formuló entre 1830 y 1850, gracias al trabajo de muchos científicos, entre los que podemos mencionar a Herman von Helmholtz, James Prescott Joule, Julius Robert Mayer y Ludvig Colding. Esta ley afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, de manera que la energía total de un sistema permanecerá constante.

La primera ley de la termodinámica no es otra cosa que la ley de conservación de la energía para los sistemas termodinámicos, es decir, aquellos en los que interviene el calor. Expresada matemáticamente, ésta señala que el cambio de energía interna de un sistema es igual a la energía recibida en forma de trabajo externo hecho sobre el sistema más la energía en forma de calor que absorbe dicho sistema (DU +W=Q, donde DU es el cambio de energía interna, W es el trabajo y Q la energía calorífica).

A partir de la formulación de la ley de la conservación de la energía quedó establecido que es imposible construir una máquina capaz de crear energía, a la cual se le denominó máquina de movimiento perpetuo de primera clase. La ley de conservación de la energía para los sistemas termodinámicos permite transformar energía calorífica en trabajo y trabajo en energía calorífica. Pero en los procesos naturales se observó que el trabajo que realiza una máquina sí se puede transformar totalmente en calor, aunque la energía calorífica no se puede transformar totalmente en trabajo.

Fue así como surgió la segunda ley de la termodinámica, la cual señala que es imposible que exista una máquina o proceso cuyo único resultado final sea transformar calor en trabajo de una fuente calorífica que esté a la misma temperatura. Dicha forma de la segunda ley se conoce como postulado de Lord Kelvin. A su vez, Rudolph Clausius formuló un postulado equivalente en el que afirma que es imposible la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente. En otras palabras, en todos los procesos que ocurren en la naturaleza el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos y no al revés. Decir "voy a enfriar mi café" no es lo mismo que "voy a calentar el aire con mi café". Afortunadamente, no somos puristas en el uso del lenguaje, aunque en física la situación es distinta. El postulado de Kelvin dice que es imposible que exista una máquina cuyo único resultado final sea transformar energía calorífica en trabajo con una fuente de calor a la misma temperatura, como lo habíamos señalado anteriormente. En otras palabras, afirma que es imposible que exista una máquina de movimiento perpetuo de segunda clase. Con una máquina de este tipo aprovecharíamos la energía calorífica del aire que nos rodea para transformarla en energía mecánica de un motor de coche, con lo cual tendríamos una fuente de energía prácticamente ilimitada, o moveríamos la turbina de un turbogenerador con el calor del agua de los ríos.

Una de las consecuencias más importantes de la segunda ley de la termodinámica es que en los procesos en donde se transforma calor en trabajo útil para, por ejemplo, mover un motor, siempre existirán pérdidas de calor que no se pueden transformar en trabajo útil, o puesto en términos de eficiencia, que cuando se trate de obtener trabajo de una máquina térmica la eficiencia teórica nunca podrá ser del 100 por ciento. La eficiencia real de cualquier motor es todavía inferior al valor teórico.

Sin embargo, si tenemos cuando menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas sí es posible transformar calor en trabajo a través de un proceso cíclico que se denomina ciclo de Carnot. Es a través de este proceso cíclico como funcionan todos los motores de combustión interna, en particular los de los automóviles.

Hoy se sabe, gracias a la primera ley de la termodinámica, que es imposible que exista una máquina de movimiento perpetuo (véase la figura 2). En el caso del cuerpo humano, el equivalente de la máquina perpetua del primer tipo sería creer que nuestro organismo es capaz de realizar cualquier actividad sin ingerir nunca un solo alimento.

Figura 2. Cadena de Stevinus de Brujas. En esta figura se observa un plano inclinado que tiene una cadena con balines. Como de A a B hay cuatro balines y de B a C hay dos, se podrían pensar que los cuatro balines del lado izquierdo jalaran a los dos que hay en el lado derecho, por simple diferencia de pesos. Si a esto añadimos que la cadena es continua, entonces se moverá indefinidamente; con ello se tendría una máquina de movimiento perpetuo. Afortunadamente, Simon Stevinus descartó dicha posibilidad y señaló que la cadena quedaría en equilibrio.

Sin embargo, existe otro problema: los alimentos que consumimos proporcionan más energía de la que empleamos para desempeñar nuestras actividades. ¿Dónde queda la energía sobrante que nos proporcionan los alimentos? ¿No habíamos señalado que la energía se conserva? Efectivamente, pero cuando efectuamos un trabajo muscular, parte de la energía se pierde en forma de calor y si los alimentos tienen grasa, una parte se acumula en las llantitas de nuestro cuerpo (véase el cuadro I que muestra la energía de algunos alimentos).

CUADRO I. Energía de los alimentos (en kilojoules).

	kJ(por cada 100 g del alimento)
Arroz blanco	1 522.9
Espaguetis crudos	1 543.8
Harina de maíz (sin germen)	1 518.7
Harina de trigo suave	1 522.9
Maíz de grano	1 510.4
Palomitas	1 615.0
Pan blanco de trigo	1 284.4
Pan de centeno	1 092.0
Pan integral de trigo	1,196.6
Papas	313.8
Plátano	510.4
Garbanzo	1 522.9
Chícharo	1 410.0
Lentejas	1 422.5
Cacahuates tostados	2 368.1
Coco	1 238.4
Nuez de acajú	2 330.0
Pistaches	2 502.0
Ajo	560.6
Apio	79.4
Calabaza	125.5
Cebolla	188.2
Col	117.1
Coliflor	138.0
Espárrago	96.0
Espinaca	125.5
Haba	493.7
Frijol	150.6
Lechuga	62.7
Pepino	62.7
Perejil	179.9
Pimiento	129.7
Rábano	96.2
Betabel	184.0
Tomate	87.8
Zanahoria	171.5
Aceituna	485.3
Aguacate	384.9
Ciruela	196.6
Fresa	150.6
Limón	121.3
Mango	246.8
Manzana	242.6
Melón	184.0
Naranja	175.7
Papaya	133.8
Pera	234.3
Sandía	92.0
Toronja	158.9
Uva	284.5
Azúcar	1 606.6
Chocolate	2 209.1
Miel de abeja	1 280.3
Huevo	619.2
Jamón	1 267.7
Embutidos	1 707.0
Pollo	711.2
Cerdo	903.7
Ternera	794.9
Vaca	1 020.8
Pavo	1 121.3
Tocino	2 604.9
Atún	1 204.9
Camarón	359.8
Ostión	184.0
Filete de Pescado	376.5
Fuente: OMS, 1987.

El interior del cuerpo debe tener una temperatura constante de aproximadamente 37ñC. Para ello, el sudor actúa como un termostato, es decir, controla la temperatura del cuerpo para que ésta permanezca sin cambio; prueba de esto es el sudor que acompaña a la fiebre.

Los alimentos que ingerimos se transforman en energía química utilizable por reacciones de oxidación; es decir, el oxígeno que respiramos se emplea para transformar los alimentos en energía química. La energía química, a su vez, se transforma en energía mecánica cuando movemos algún músculo, pero parte de la energía química se pierde inevitablemente en forma de calor. Los músculos esqueléticos tienen cuando mucho una eficiencia del 20%, lo cual quiere decir que el 80% restante se pierde en el ambiente. Debe mencionarse también que los desechos que producimos contienen energía almacenada que no aprovechó el cuerpo, lo cual no significa que otros organismos no la puedan aprovechar (incluido el hombre). De hecho, el abono es un excelente nutriente para el crecimiento de las plantas y también de éste se puede obtener gas metano para cocinar.

Por lo tanto, la energía que consumimos en los alimentos sí se conserva. Únicamente tenemos que considerar la energía química que no se transforma en movimiento de nuestros músculos y que se pierde irreversiblemente en el ambiente que nos rodea (véase el cuadro II).

CUADRO II. Consumo de energía en diversas actividades cotidianas.

	kJ (Kilojoules)
Dormir	4.52
Sentarse	5.82
Pararse	7.32
Caminar	15.50
Trabajar sentado en la oficina	7.5
Cocinar	8.8
Limpieza moderada	18.0
Fuente: OMS, 1987

Muchas actividades humanas requieren grandes esfuerzos corporales; por esto, es deseable que las máquinas realicen el trabajo pesado, para dejar al hombre las tareas más creativas. Sin embargo, la conservación de la energía nuevamente hace su aparición. Para que las máquinas realicen trabajo se requiere una fuente de energía, un combustible que, al igual que los alimentos, provea la energía necesaria para realizarlo. El desgaste físico y el tiempo que se necesita para ir caminando de la ciudad de México a Cuernavaca es enorme si se compara con lo que se consume cuando se hace el viaje en camión (aunque lo que pagamos por el camión hubiera alcanzado para invitarle un refresco a cada pasajero en Tres Marías si hiciéramos el viaje a pie). La gran ventaja del camión es que el motor realiza el trabajo, en lugar de nuestro cuerpo; además, la potencia que desarrolla el camión, es decir, la energía por unidad de tiempo, es mayor que la de nuestro cuerpo.

Por otro lado, ni nuestro cuerpo, ni un motor de camión transforman toda la energía en trabajo mecánico, inevitablemente una parte se transforma en calor y es irrecuperable.

Sadi Carnot se encargó de demostrar en su libro Reflexiones sobre la potencia motriz de fuego (véase el recuadro 2), de 1824, que la eficiencia teórica máxima a la que opera cualquier máquina térmica es:

donde T_max. es la temperatura máxima y T_min. es la mínima.

Otra forma equivalente de expresar la eficiencia es considerando que la temperatura máxima es la de entrada y la mínima es la de salida. Entonces la fórmula sería:

Recuadro 2

Sadi Carnot y la eficiencia de las máquinas térmicas. "La potencia motriz del calor es independiente del agente empleado para realizarla, su magnitud está fijada únicamente por la temperatura de los cuerpos entre los que se efectúa, a fin de cuentas, su transferencia."

Por ejemplo, una máquina de vapor tiene una temperatura máxima de 200 grados Celsius, es decir, que el agua que entra a la caldera tiene esa temperatura máxima, y la temperatura mínima es de 100 grados, que es la temperatura a la cual se elimina el vapor a la atmósfera. Por lo tanto, la eficiencia (si se convierten los grados Celsius a Kelvin, para lo cual bastará sumar 273.16 a cada temperatura) será de 21%. Aunque en la práctica, como existen pérdidas de calor de otro tipo (fricción, turbulencia, conducción de calor, mezcla de diferentes sustancias, etcétera), la eficiencia real de estas máquinas es de 15%. La eficiencia real de un motor de automóvil común es de 22%. La temperatura máxima que alcanza la gasolina mezclada con el aire en el interior del motor es de alrededor de 120ñC, mientras que la temperatura a la que salen expulsados los gases es de 50ñC aproximadamente, que sería la temperatura mínima. En el caso de los motores diesel la eficiencia es de 40%. En todas las máquinas térmicas existe un fluido o gas que alcanza tanto la temperatura máxima como la mínima. En una caldera es el vapor de agua y en un automóvil es la gasolina o el diesel.

En todas las máquinas térmicas a las que se refiere Carnot, la eficiencia teórica máxima es de poco menos del 60%; es decir, que no puede existir una máquina térmica con una eficiencia superior a este valor (véase el recuadro 3).

Recuadro 3

Denis Papin y la olla express. Cuando el físico francés Denis Papin presentó su invento de la olla express ante la Real Sociedad de Londres, la olla estalló frente a los distinguidos miembros. Posteriormente, solicitó otra demostración, dado que ahora la olla poseía una válvula de seguridad; sin embargo, todos los miembros se opusieron a la nueva demostración, temerosos de salir sin vida, dado el peligro potencial que representaba el invento. La única excepción fue la del presidente, el físico Robert Boyle, quien permitió la demostración, siempre y cuando se efectuara ante un número razonable de personas.

Ahora, si se trata de una máquina que transforma combustible en calor o que evita el uso de calor, la máquina puede ser 100% eficiente. En la turbina de una presa, la eficiencia puede llegar a 90%, al igual que la de una caldera grande de una central termoeléctrica; la eficiencia de un generador eléctrico puede ser de 98% y la eficiencia de una estufa de cocina es de 85% aproximadamente.

Supongamos que un estudiante con mucha energía dedica 8 400 kilocalorías a leer este libro. A primera vista nos sorprendería toda la energía que le ha dedicado; sin embargo, es necesario saber cuánto tiempo le dedicó a esta tarea. Cuando nos enteramos que leyó todo en 840 horas, es decir, un poco más de un mes, resulta que sólo empleó 10 kilocalorías diarias, en promedio, para leer. Si comparamos esta cantidad con las 84 kilocalorías que se necesitan para leer durante una hora, el estudiante leyó alrededor de siete minutos diarios. Éste es precisamente el caso de un estudiante con mucha energía y poca potencia.

Un buen lector podría leer cinco horas diarias, y así leería todo el libro en dos días y utilizaría tan sólo 840 kilocalorías. Así podría leer 10 libros como éste y emplear las mismas 8 400 kilocalorías.

Por lo tanto, cuando se habla de energéticos, y en particular de las centrales de energía, es muy importante conocer no sólo cuánta energía se produce, sino la rapidez con la que se produce dicha energía; la energía por unidad de tiempo. Lo mejor, por lo tanto, es desarrollar mucha potencia.

Si ahora regresamos al ejemplo de la energía empleada en la lectura, se había dicho que se utilizan 84 kilocalorías por cada hora de lectura, pero ¿no sería deseable que fueran 84 kilocalorías por cada dos horas? Así podríamos leer más y comer menos. Desgraciadamente, un hombre no puede hacer esto... pero una máquina sí. Aunque la máquina no entiende lo que lee.

El tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una máquina y por esto se introdujo el concepto de potencia, que se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo o como la energía por unidad de tiempo. Si en una casa empleamos un foco de 100 watts de potencia, la compañía de luz nos cobra la energía, que es igual a la potencia multiplicada por el tiempo; es decir, tendremos que pagar determinada cantidad por 100 watts-hora = 0.1 kilowatts-hora (kWh) por cada hora que prendamos el foco. Si lo usamos dos horas cobrará 0.2 kWh.

Si en lugar de un foco de 100 watts usamos uno de 60 watts, la cuenta será de 0.06 kWh por cada hora que esté prendido. Al de dos horas la compañía de luz nos cobrará 0.12 kWh. Por lo tanto, cuanto menor sea la potencia de los aparatos que se utilicen, o menor el tiempo que permanezcan encendidos, menor será la cuenta de luz.

Los medidores de luz que se encuentran instalados en todas las casas-habitación miden el consumo diario de energía en kilowatts-hora. Por ejemplo, un departamento amplio consume diariamente alrededor de 5 kWh.

Las plantas o centrales de energía eléctrica deben ser de mucha potencia para poder satisfacer en todo momento las necesidades de todas las casas. Así, la producción de electricidad depende de la demanda de la población que tiene que satisfacerse.

En el Sistema Internacional de Unidades la energía se mide en joules; sin embargo, como es una unidad muy pequeña, para medir el consumo de energía doméstica se emplea otra unidad, tal vez más conocida: el kilowatt-hora, abreviado kWh (1 kilowatt-hora =3 600 000 joules). Otra unidad que se mencionó anteriormente es la kilocaloría; 1 kilocaloría = 4 186.8 joules. También se utiliza frecuentemente el BTU (British Thermal Units) con la siguiente equivalencia: 1 BTU =1/9.478X10^-4 joules.

La unidad de potencia es el watt (véase el recuadro 4) y sus múltiplos: el kilowatt, el megawatt, el gigawatt y el terawatt, abreviados W, kW, MW, GW y TW, respectivamente. Un watt equivale a un joule/segundo, o en forma abreviada 1W = 1J/s. En el cuadro III aparecen las unidades de energía y potencia, cómo se abrevian y su equivalencia. Y en el cuadro IV están los múltiplos y submúltiplos que se utilizan como prefijos en todas las unidades.

Recuadro 4

Sociedad inglesa de lunáticos. Durante la segunda mitad del siglo XVIII existía en Birmingham, Inglaterra, una sociedad llamada Sociedad Lunar, porque sus miembros se reunían el primer lunes posterior a la Luna llena. A la asociación de lunáticos, como se les llamó, pertenecían: James Watt, Erasmus Darwin, Matthew Boulton, John Wilkinson y William Small, entre otros.

CUADRO III. Unidades de energía: conversión.

1 joule =	1 watt·segundo = 1 newton·metro =
	1 kilogramo·metro2 / segundo2
1 J =	1 W·s = 1 N·m = 1 kg·m2/s2
=	6.242 x 1018 eV (electrón-volt)
=	6.242 x 1012 MeV (megaelectrón-volt)
=	107 ergs
=	0.2388 cal (calorías)
=	2.778 x 10-7 kW·h (kilowatts-hora)
=	9.478 x 10-4 BTU (British Thermal Units)
=	3.725 x 10-7 hp·h (horse power-hora)
=	0.7376 ft·lbf (pies·libras fuerza)
Unidades de Potencia: Conversión
1 watt =	1 joule/segundo = 1 kilogramo·metro2/segundo3
1 W =	1 J/s = 1 kg·m2/s3
=	0.001 kW (kilowatts)
=	6.242 x 1018 eV/s (electrón-volt/segundo)
=	0.001341 hp (Horse Power)
=	3413 BTU/h (British Thermal Units/hora)

CUADRO IV. Múltiplos y submúltiplos.

Prefijo	Símbolo	Potencia	Cantidad
exa	E	1018	1 000 000 000 000 000 000
peta	P	1015	1 000 000 000 000 000
tera	T	1012	1 000 000 000 000
giga	G	109	1 000 000 000
mega	M	106	1 000 000
kilo	k	103	1 000
		100	1
mili	m	10-3	0. 001
micro	M	10-6	0. 000 001
nano	n	10-9	0.000 000 001
pico	P	10-12	0.000 000 000 001
femto	f	10-15	0.000 000 000 000 001
atto	a	10-18	0.000 000 000 000 000 001

3. FORMAS DE ENERGÍA

La energía del Universo se manifiesta en diversas formas físicas y químicas: energía cinética y potencial, que en conjunto constituyen la energía mecánica, energía calorífica, electromagnética (eléctrica y magnética), nuclear y química.

Cuando hablamos de las formas de energía no nos estamos refiriendo al origen de ésta, sino únicamente al tipo de energía; en cambio, cuando aludimos a las fuentes de energía sí nos referimos a su origen, es decir, de dónde se obtiene. Una fuente de energía como el petróleo produce una forma de energía: calorífica, mecánica, química o eléctrica. También, cuando hablamos de fuentes estamos diciendo implícitamente que se trata de energía aprovechable, es decir, energía que el ser humano puede utilizar para realizar todo tipo de actividades.

Existen los siguientes tipos de fuentes de energía según su origen y aprovechamiento:

1) Energía del petróleo, gas y carbón. La energía química se convierte en calor para posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energía. Cuando la energía que proporcionan el petróleo, el gas o el carbón se obtiene en grandes cantidades, se transforma en energía eléctrica a través de las centrales termoeléctricas o carboeléctricas. En el caso de los transportes la energía se transforma en cinética o mecánica (pasando por la energía calorífica o térmica) o bien en energía calorífica cuando se trata de un calentador o una estufa.

2) Energía hidráulica. En ésta se aprovechan las caídas de agua que se originan por la diferencia de altura en un terreno, por lo tanto se trata de energía potencial. La energía hidráulica es energía mecánica, primero potencial, cuando el agua de un río es detenida por la cortina de una presa y se establece una diferencia de altura, y después cinética, cuando se deja caer el agua de la presa. Dicha energía cinética es la que se utiliza para mover un turbogenerador y producir energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas.

3) Energía geotérmica. Es la energía calorífica del interior de la Tierra, la cual se transforma en energía mecánica y eléctrica a través de un turbogenerador.

4) Energía nuclear. En ésta, la energía que une a los núcleos de los átomos se transforma en energía calorífica, y ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica.

5) Energía solar. En ésta se aprovecha directamente la radiación solar para producir calor o electricidad.

6) Energía eólica. Es la que utiliza la energía cinética de los vientos, que puede aprovecharse como tal o, a su vez, convertirse en electricidad.

7) Energía de la biomasa. Es el aprovechamiento de la materia viva y los desechos orgánicos como combustibles, por lo tanto se trata de energía química, que se pueden transformar en cualquier forma de energía. El caso de la madera es un ejemplo.

Existe también una clasificación de las fuentes de energía de acuerdo con su duración. Las fuentes no renovables son aquellas que después de cierto tiempo de explotación acabarán por agotarse. Éste es el caso de los combustibles fósiles, la fisión nuclear y la energía geotérmica. Por otro lado están las fuentes de energía renovables, entre las que se encuentran la solar y la eólica, dado que son fuentes que para todo fin práctico nunca se agotarán.