INTRODUCCI�N

1. LA ENERG�A 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" construy� la que fue, junto con la estaci�n Holborn Viaduct de Londres, la primera planta de potencia para generar energ�a el�ctrica. La de Edison iluminaba parte de Nueva York mediante una instalaci�n de alumbrado en paralelo. Antes de esa fecha, si fallaba alguna l�mpara, �toda la ciudad se quedaba sin luz!, como sucede con las series de luces de los arbolitos de Navidad. Actualmente, �qu� ocurrir�a 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 el�ctrico nos parece lo m�s natural. Sin embargo, tener la posibilidad de hacerlo requiri� de muchos a�os, desde que se descubrieron las leyes de la electricidad y el magnetismo hasta que se construy� la primera planta el�ctrica de potencia.

Pero, a su vez, la construcci�n de la primera planta el�ctrica necesit� la invenci�n del foco, logro que disputaron Thomas A. Edison y Joseph Wilson Swan.

En el debate entre Edison y Swan, dec�a el primero, refiri�ndose a Swan: "Ah� lo tienen. Tan pronto como alguien consigue hacer algo bueno, no faltan otros tipos que salen con la novedad de que hace a�os lograron lo mismo."

Swan, quien permaneci� callado durante mucho tiempo, escribi� en la revista Nature, en enero de 1880:

Hace quince a�os utilic� cart�n y papel carbonizado en la fabricaci�n de una l�mpara el�ctrica basada en el principio de la incandescencia. La hice en forma de herradura, tal como dicen ustedes que la est� usando ahora el se�or Edison. Entonces no logr� obtener la duraci�n que buscaba, pero desde entonces he hecho muchos experimentos y creo que durante los �ltimos seis meses conquist� completamente la dificultad que hab�a causado mi anterior fracaso; ahora puedo producir una l�mpara el�ctrica duradera por medio de carbones incandescentes.

A�os despu�s, antes de que se realizara el juicio por la primac�a del invento, Swan y Edison se unieron y formaron la compa��a Edison and Swan United Electric Company, Ltd. que m�s tarde se convertir�a en la General Electric.

En la �poca de Edison se produc�a energ�a el�ctrica para iluminar las ciudades con los primeros focos el�ctricos; el problema fundamental que �stos presentaban era no disponer de un filamento duradero (v�ase la figura 1).

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

Los avances tecnol�gicos se asimilan r�pidamente. Sin embargo, olvidamos con facilidad la historia de su desarrollo y cu�les son sus principios de operaci�n. La primera locomotora, por ejemplo, provoc� serias protestas de los ingleses por las elevadas velocidades que alcanzaba. En M�xico, la ciudadan�a tambi�n protest� cuando aparecieron las primeras bicicletas que circulaban por la Alameda central; hoy, �cu�ntos 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 trav�s de los a�os el hombre ha perfeccionado la capacidad de hacer trabajos que requieran grandes esfuerzos f�sicos, para dejar a las m�quinas las tareas pesadas y dedicarse a labores m�s creativas; sin embargo, como consecuencia ha aumentado el consumo de energ�a por habitante, el cual es m�s alto en los pa�ses desarrollados. Por otro lado, las m�quinas han acortado el tiempo que se requer�a para desempe�ar muchas actividades, por lo cual es fundamental producir energ�a utilizable a trav�s de las diferentes fuentes. Cuando se habla de energ�ticos nos referimos al aprovechamiento de dichas fuentes, as� como a su �ptima utilizaci�n.

Los energ�ticos han evolucionado a lo largo de la historia. Primero se utiliz� la energ�a mec�nica de los m�sculos para efectuar las labores pesadas. Posteriormente, las "bestias" de carga y la tracci�n animal facilitaron a�n m�s el transporte de cargas pesadas. Aqu� vale la pena aclarar que los animales, incluido el hombre, necesitan de una fuente de energ�a fundamental para efectuar trabajo: los alimentos. De esta forma, los alimentos eran y son la fuente energ�tica fundamental para desempe�ar cualquier actividad.

La madera ocup� durante muchos siglos el primer lugar como fuente energ�tica 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 a�os. Posteriormente, el empleo del carb�n ocasion� que se abandonara la le�a como combustible fundamental. Adem�s, su transformaci�n en coque y el invento de la m�quina de vapor marcaron un cambio tecnol�gico, econ�mico y social de gran importancia: la Revoluci�n Industrial.

Pocos a�os antes del inicio de la primera Guerra Mundial se empez� a emplear el petr�leo y el gas. Antes de que terminara la segunda Guerra Mundial, Fermi realiz� la primera reacci�n nuclear controlada y en la d�cada de los a�os cincuenta aparecieron los primeros reactores nucleares comerciales, que aprovechan la energ�a calor�fica producida por la fisi�n o rompimiento de los n�cleos at�micos. En la d�cada de los cincuenta y sesenta el petr�leo y el gas desplazaron al carb�n, situaci�n que prevalece hasta nuestros d�as. Entre 1960 y 1985 prolifer� la construcci�n de reactores nucleares, sobre todo en los llamados pa�ses desarrollados como EUA, Francia, la ex Uni�n Sovi�tica (hoy Comunidad de Estados Independientes), Jap�n, la ex Alemania Federal, Inglaterra, etc�tera. Posteriormente, los pa�ses en v�as de desarrollo como India, Argentina, Brasil y M�xico construyeron sus primeras centrales nucleoel�ctricas.

Hasta 1990 hab�a 424 reactores nucleares en todo el mundo. Actualmente se siguen construyendo centrales nucleoel�ctricas, pero en un porcentaje decreciente, entre otras razones debido a los accidentes nucleares, los desechos radiactivos y los movimientos ecologistas internacionales. Algunos pa�ses, como M�xico, que en la d�cada pasada ten�an un ambicioso programa nucleoel�ctrico, han preferido continuar con el petr�leo como principal fuente de energ�a y diversificar el aprovechamiento de �sta con distintas fuentes energ�ticas (geotermia, carb�n, energ�a hidr�ulica, energ�a nuclear, energ�a solar y e�lica). Pese a lo anterior, los recursos energ�ticos que posee cada pa�s constituyen un factor importante para adoptar una pol�tica energ�tica. Un pa�s sin petr�leo, carb�n, geotermia y con baja insolaci�n o soleamiento, dif�cilmente puede aprovechar distintas fuentes de energ�a.

La transformaci�n de las fuentes de energ�a en diversas formas de energ�a utilizables nos proporciona gran cantidad de beneficios: tener electricidad, agua caliente, gas para cocinar, calefacci�n, refrigeraci�n, ventilaci�n, transporte, etc�tera.

La energ�a hidr�ulica, la que se obtiene del petr�leo, el gas, la energ�a e�lica o de los vientos y la que se obtiene de la biomasa tienen un origen com�n: la energ�a del Sol. Por otro lado, las fuentes de energ�a que no tienen un origen solar son: la energ�a de la fisi�n nuclear, la geotermia y la que se obtiene de las mareas. La fusi�n nuclear es un caso aparte, dado que se reproducen en condiciones artificiales las reacciones termonucleares de fusi�n que tienen lugar en el n�cleo de nuestra estrella: el Sol. La energ�a solar es producto de las reacciones de fusi�n nuclear que ocurren en el Sol; as�, la energ�a que recibimos del Sol tiene como origen la energ�a nuclear.

Seg�n una de las teor�as m�s aceptadas, el petr�leo, el gas y el carb�n provienen de la descomposici�n de organismos vegetales y animales que vivieron hace 300 millones de a�os y que fueron sepultados bajo el suelo marino y continental. Por otro lado, en las plantas se lleva a cabo la fotos�ntesis debido a la acci�n de los rayos solares y �stas almacenan aproximadamente el 1% de la energ�a solar recibida. As�, los combustibles f�siles como el petr�leo, el gas y el carb�n, la energ�a que se obtiene de las plantas, �rboles, desechos org�nicos y los alimentos que consume el hombre son de origen solar. La energ�a que las centrales hidroel�ctricas aprovechan de los r�os se debe a la evaporaci�n del agua de los oc�anos, provocada por el calentamiento de los rayos solares. Posteriormente, al caer el agua desde diferentes alturas, se transforma la energ�a potencial de los r�os en energ�a el�ctrica. El viento se origina por la diferencia de temperaturas en la atm�sfera terrestre, provocada por la forma en que inciden los rayos solares, en combinaci�n con la rotaci�n de la Tierra.

Sin embargo, la energ�a solar se origina por la fusi�n de los n�cleos at�micos, donde se funden elementos ligeros como el hidr�geno y en el proceso se liberan grandes cantidades de energ�a en forma de calor, que se calculan usando la famosa f�rmula de Einstein que proporciona la equivalencia entre masa y energ�a: E=mc² (donde E es la energ�a, m la masa y c la velocidad de la luz); parte de la masa de los n�cleos at�micos se transforma en energ�a calor�fica, que es precisamente la que el Sol nos proporciona en forma de radiaci�n. Por ejemplo, si se unen cuatro n�cleos de hidr�geno se forma helio, electrones positivos (positrones), rayos gamma y calor. Si se calcula la masa de los productos antes y despu�s de la reacci�n de fusi�n nuclear se observar� una diferencia o defecto de masa faltante despu�s de la reacci�n. Debido a que la energ�a debe conservarse antes y despu�s de la reacci�n, la masa faltante se transforma en energ�a calor�fica. En el caso de la reacci�n mencionada, cuando se fusionan cuatro n�cleos de hidr�geno se produce un n�cleo de helio, neutrinos, positrones, rayos gamma y se liberan 25.7 MeV ² (megaelectr�n-volts) de energ�a calor�fica. Para darse una idea de lo que representa esta cantidad, la fusi�n nuclear que tuviera lugar en un peque�o cuarto de dos metros por lado bastar�a para producir m�s energ�a que el reactor de Laguna Verde.

2. UN ESTUDIANTE CON MUCHA ENERG�A Y POCA POTENCIA

Cuando inclinamos la cabeza y fijamos la vista para leer estas l�neas nuestro cuerpo est� empleando 84 kilocalor�as por cada hora de lectura. Pero esas 84 kilocalor�as que empleamos para leer, el cuerpo las debe recuperar mediante nuestra fuente de energ�a: los alimentos. Un ser humano promedio debe consumir alimentos que le proporcionen 3 000 kilocalor�as diarias.³

Pero ahora surge una pregunta: �por qu� tenemos que recuperar la energ�a 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 conservaci�n de la energ�a, que afirma que �sta no se crea ni se destruye, �nicamente se transforma, o expresada esta idea en forma general: la energ�a del Universo se mantiene constante.

Volviendo a nuestro caso, la energ�a que nos proporcionan los alimentos se transforma en energ�a utilizable para desempe�ar todas nuestras actividades. Para aquellos que se est�n quedando dormidos, s�lo mencionaremos que se consumen 500 kilocalor�as durante 8 horas de sue�o (alrededor de 1/6 de la energ�a que necesitamos diariamente), pues el organismo humano requiere cierta cantidad de energ�a para que todos los �rganos trabajen adecuadamente y se lleven a cabo los procesos fisiol�gicos del organismo (esta cantidad se denomina metabolismo basal y corresponde a m�s de la mitad de la energ�a que consumimos a trav�s de los alimentos).

Antiguamente se cre�a que pod�a existir una m�quina capaz de moverse indefinidamente y se le denomin� m�vil o m�quina de movimiento perpetuo (v�ase el recuadro 1). Una m�quina cuyo �nico resultado fuera extraer calor y convertirlo �ntegramente en trabajo ser�a un m�vil perpetuo de segunda clase; es decir, una m�quina que efectuara trabajo sin una fuente externa de energ�a. Los beneficios que nos reportar�an estas m�quinas ser�an invaluables; sin embargo, las leyes de la termodin�mica se han encargado de demostrar que su construcci�n es imposible.

Recuadro 1

L�zaro Carnot y La Real Academia de Ciencias de Par�s. En el a�o de 1775, la Academia de Ciencias de Par�s hab�a tomado una decisi�n: no examinar�a ninguna soluci�n a los problemas de la duplicaci�n del cubo, la cuadratura del c�rculo, ni analizar�a ninguna m�quina de movimiento perpetuo. L�zaro Carnot, padre de Sadi Carnot, tambi�n hab�a declarado: "es in�til que se les explique que toda m�quina se reduce a una palanca; al parecer el s�mil se les hace demasiado vago y confuso. Yo puedo demostrarles no solamente que toda m�quina abandonada a s� misma tiene que detenerse, sino que adem�s, puedo se�alar 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 fricci�n provocar� que parte de la energ�a que se utiliz� para moverla por un lado se transforme en energ�a calor�fica del aire que la rodea y por el otro ocasione el calentamiento de la rueda. As�, la fricci�n provocar� que la rueda se detenga.

La ley de la conservaci�n de la energ�a se formul� entre 1830 y 1850, gracias al trabajo de muchos cient�ficos, entre los que podemos mencionar a Herman von Helmholtz, James Prescott Joule, Julius Robert Mayer y Ludvig Colding. Esta ley afirma que la energ�a no puede crearse ni destruirse, de manera que la energ�a total de un sistema permanecer� constante.

La primera ley de la termodin�mica no es otra cosa que la ley de conservaci�n de la energ�a para los sistemas termodin�micos, es decir, aquellos en los que interviene el calor. Expresada matem�ticamente, �sta se�ala que el cambio de energ�a interna de un sistema es igual a la energ�a recibida en forma de trabajo externo hecho sobre el sistema m�s la energ�a en forma de calor que absorbe dicho sistema (DU +W=Q, donde DU es el cambio de energ�a interna, W es el trabajo y Q la energ�a calor�fica).

A partir de la formulaci�n de la ley de la conservaci�n de la energ�a qued� establecido que es imposible construir una m�quina capaz de crear energ�a, a la cual se le denomin� m�quina de movimiento perpetuo de primera clase. La ley de conservaci�n de la energ�a para los sistemas termodin�micos permite transformar energ�a calor�fica en trabajo y trabajo en energ�a calor�fica. Pero en los procesos naturales se observ� que el trabajo que realiza una m�quina s� se puede transformar totalmente en calor, aunque la energ�a calor�fica no se puede transformar totalmente en trabajo.

Fue as� como surgi� la segunda ley de la termodin�mica, la cual se�ala que es imposible que exista una m�quina o proceso cuyo �nico resultado final sea transformar calor en trabajo de una fuente calor�fica que est� a la misma temperatura. Dicha forma de la segunda ley se conoce como postulado de Lord Kelvin. A su vez, Rudolph Clausius formul� un postulado equivalente en el que afirma que es imposible la transferencia de calor de un cuerpo fr�o a uno caliente. En otras palabras, en todos los procesos que ocurren en la naturaleza el calor fluye de los cuerpos calientes a los fr�os y no al rev�s. Decir "voy a enfriar mi caf�" no es lo mismo que "voy a calentar el aire con mi caf�". Afortunadamente, no somos puristas en el uso del lenguaje, aunque en f�sica la situaci�n es distinta. El postulado de Kelvin dice que es imposible que exista una m�quina cuyo �nico resultado final sea transformar energ�a calor�fica en trabajo con una fuente de calor a la misma temperatura, como lo hab�amos se�alado anteriormente. En otras palabras, afirma que es imposible que exista una m�quina de movimiento perpetuo de segunda clase. Con una m�quina de este tipo aprovechar�amos la energ�a calor�fica del aire que nos rodea para transformarla en energ�a mec�nica de un motor de coche, con lo cual tendr�amos una fuente de energ�a pr�cticamente ilimitada, o mover�amos la turbina de un turbogenerador con el calor del agua de los r�os.

Una de las consecuencias m�s importantes de la segunda ley de la termodin�mica es que en los procesos en donde se transforma calor en trabajo �til para, por ejemplo, mover un motor, siempre existir�n p�rdidas de calor que no se pueden transformar en trabajo �til, o puesto en t�rminos de eficiencia, que cuando se trate de obtener trabajo de una m�quina t�rmica la eficiencia te�rica nunca podr� ser del 100 por ciento. La eficiencia real de cualquier motor es todav�a inferior al valor te�rico.

Sin embargo, si tenemos cuando menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas s� es posible transformar calor en trabajo a trav�s de un proceso c�clico que se denomina ciclo de Carnot. Es a trav�s de este proceso c�clico como funcionan todos los motores de combusti�n interna, en particular los de los autom�viles.

Hoy se sabe, gracias a la primera ley de la termodin�mica, que es imposible que exista una m�quina de movimiento perpetuo (v�ase la figura 2). En el caso del cuerpo humano, el equivalente de la m�quina perpetua del primer tipo ser�a 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 podr�an 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 a�adimos que la cadena es continua, entonces se mover� indefinidamente; con ello se tendr�a una m�quina de movimiento perpetuo. Afortunadamente, Simon Stevinus descart� dicha posibilidad y se�al� que la cadena quedar�a en equilibrio.

Sin embargo, existe otro problema: los alimentos que consumimos proporcionan m�s energ�a de la que empleamos para desempe�ar nuestras actividades. �D�nde queda la energ�a sobrante que nos proporcionan los alimentos? �No hab�amos se�alado que la energ�a se conserva? Efectivamente, pero cuando efectuamos un trabajo muscular, parte de la energ�a se pierde en forma de calor y si los alimentos tienen grasa, una parte se acumula en las llantitas de nuestro cuerpo (v�ase el cuadro I que muestra la energ�a de algunos alimentos).

CUADRO I. Energ�a 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 37�C. Para ello, el sudor act�a como un termostato, es decir, controla la temperatura del cuerpo para que �sta permanezca sin cambio; prueba de esto es el sudor que acompa�a a la fiebre.

Los alimentos que ingerimos se transforman en energ�a qu�mica utilizable por reacciones de oxidaci�n; es decir, el ox�geno que respiramos se emplea para transformar los alimentos en energ�a qu�mica. La energ�a qu�mica, a su vez, se transforma en energ�a mec�nica cuando movemos alg�n m�sculo, pero parte de la energ�a qu�mica se pierde inevitablemente en forma de calor. Los m�sculos esquel�ticos tienen cuando mucho una eficiencia del 20%, lo cual quiere decir que el 80% restante se pierde en el ambiente. Debe mencionarse tambi�n que los desechos que producimos contienen energ�a almacenada que no aprovech� 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 tambi�n de �ste se puede obtener gas metano para cocinar.

Por lo tanto, la energ�a que consumimos en los alimentos s� se conserva. �nicamente tenemos que considerar la energ�a qu�mica que no se transforma en movimiento de nuestros m�sculos y que se pierde irreversiblemente en el ambiente que nos rodea (v�ase el cuadro II).

CUADRO II. Consumo de energ�a 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 m�quinas realicen el trabajo pesado, para dejar al hombre las tareas m�s creativas. Sin embargo, la conservaci�n de la energ�a nuevamente hace su aparici�n. Para que las m�quinas realicen trabajo se requiere una fuente de energ�a, un combustible que, al igual que los alimentos, provea la energ�a necesaria para realizarlo. El desgaste f�sico y el tiempo que se necesita para ir caminando de la ciudad de M�xico a Cuernavaca es enorme si se compara con lo que se consume cuando se hace el viaje en cami�n (aunque lo que pagamos por el cami�n hubiera alcanzado para invitarle un refresco a cada pasajero en Tres Mar�as si hici�ramos el viaje a pie). La gran ventaja del cami�n es que el motor realiza el trabajo, en lugar de nuestro cuerpo; adem�s, la potencia que desarrolla el cami�n, es decir, la energ�a por unidad de tiempo, es mayor que la de nuestro cuerpo.

Por otro lado, ni nuestro cuerpo, ni un motor de cami�n transforman toda la energ�a en trabajo mec�nico, inevitablemente una parte se transforma en calor y es irrecuperable.

Sadi Carnot se encarg� de demostrar en su libro Reflexiones sobre la potencia motriz de fuego (v�ase el recuadro 2), de 1824, que la eficiencia te�rica m�xima a la que opera cualquier m�quina t�rmica es:

donde T_max. es la temperatura m�xima y T_min. es la m�nima.

Otra forma equivalente de expresar la eficiencia es considerando que la temperatura m�xima es la de entrada y la m�nima es la de salida. Entonces la f�rmula ser�a:

Recuadro 2

Sadi Carnot y la eficiencia de las m�quinas t�rmicas. "La potencia motriz del calor es independiente del agente empleado para realizarla, su magnitud est� fijada �nicamente por la temperatura de los cuerpos entre los que se efect�a, a fin de cuentas, su transferencia."

Por ejemplo, una m�quina de vapor tiene una temperatura m�xima de 200 grados Celsius, es decir, que el agua que entra a la caldera tiene esa temperatura m�xima, y la temperatura m�nima es de 100 grados, que es la temperatura a la cual se elimina el vapor a la atm�sfera. Por lo tanto, la eficiencia (si se convierten los grados Celsius a Kelvin, para lo cual bastar� sumar 273.16 a cada temperatura) ser� de 21%. Aunque en la pr�ctica, como existen p�rdidas de calor de otro tipo (fricci�n, turbulencia, conducci�n de calor, mezcla de diferentes sustancias, etc�tera), la eficiencia real de estas m�quinas es de 15%. La eficiencia real de un motor de autom�vil com�n es de 22%. La temperatura m�xima que alcanza la gasolina mezclada con el aire en el interior del motor es de alrededor de 120�C, mientras que la temperatura a la que salen expulsados los gases es de 50�C aproximadamente, que ser�a la temperatura m�nima. En el caso de los motores diesel la eficiencia es de 40%. En todas las m�quinas t�rmicas existe un fluido o gas que alcanza tanto la temperatura m�xima como la m�nima. En una caldera es el vapor de agua y en un autom�vil es la gasolina o el diesel.

En todas las m�quinas t�rmicas a las que se refiere Carnot, la eficiencia te�rica m�xima es de poco menos del 60%; es decir, que no puede existir una m�quina t�rmica con una eficiencia superior a este valor (v�ase el recuadro 3).

Recuadro 3

Denis Papin y la olla express. Cuando el f�sico franc�s Denis Papin present� su invento de la olla express ante la Real Sociedad de Londres, la olla estall� frente a los distinguidos miembros. Posteriormente, solicit� otra demostraci�n, dado que ahora la olla pose�a una v�lvula de seguridad; sin embargo, todos los miembros se opusieron a la nueva demostraci�n, temerosos de salir sin vida, dado el peligro potencial que representaba el invento. La �nica excepci�n fue la del presidente, el f�sico Robert Boyle, quien permiti� la demostraci�n, siempre y cuando se efectuara ante un n�mero razonable de personas.

Ahora, si se trata de una m�quina que transforma combustible en calor o que evita el uso de calor, la m�quina 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 termoel�ctrica; la eficiencia de un generador el�ctrico puede ser de 98% y la eficiencia de una estufa de cocina es de 85% aproximadamente.

Supongamos que un estudiante con mucha energ�a dedica 8 400 kilocalor�as a leer este libro. A primera vista nos sorprender�a toda la energ�a que le ha dedicado; sin embargo, es necesario saber cu�nto tiempo le dedic� a esta tarea. Cuando nos enteramos que ley� todo en 840 horas, es decir, un poco más de un mes, resulta que s�lo emple� 10 kilocalor�as diarias, en promedio, para leer. Si comparamos esta cantidad con las 84 kilocalor�as que se necesitan para leer durante una hora, el estudiante ley� alrededor de siete minutos diarios. �ste es precisamente el caso de un estudiante con mucha energ�a y poca potencia.

Un buen lector podr�a leer cinco horas diarias, y as� leer�a todo el libro en dos d�as y utilizar�a tan s�lo 840 kilocalor�as. As� podr�a leer 10 libros como �ste y emplear las mismas 8 400 kilocalor�as.

Por lo tanto, cuando se habla de energ�ticos, y en particular de las centrales de energ�a, es muy importante conocer no s�lo cu�nta energ�a se produce, sino la rapidez con la que se produce dicha energ�a; la energ�a por unidad de tiempo. Lo mejor, por lo tanto, es desarrollar mucha potencia.

Si ahora regresamos al ejemplo de la energ�a empleada en la lectura, se hab�a dicho que se utilizan 84 kilocalor�as por cada hora de lectura, pero �no ser�a deseable que fueran 84 kilocalor�as por cada dos horas? As� podr�amos leer m�s y comer menos. Desgraciadamente, un hombre no puede hacer esto... pero una m�quina s�. Aunque la m�quina no entiende lo que lee.

El tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una m�quina 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 energ�a por unidad de tiempo. Si en una casa empleamos un foco de 100 watts de potencia, la compa��a de luz nos cobra la energ�a, 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 cobrar� 0.2 kWh.

Si en lugar de un foco de 100 watts usamos uno de 60 watts, la cuenta ser� de 0.06 kWh por cada hora que est� prendido. Al de dos horas la compa��a de luz nos cobrar� 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 ser� la cuenta de luz.

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

Las plantas o centrales de energ�a el�ctrica deben ser de mucha potencia para poder satisfacer en todo momento las necesidades de todas las casas. As�, la producci�n de electricidad depende de la demanda de la poblaci�n que tiene que satisfacerse.

En el Sistema Internacional de Unidades la energ�a se mide en joules; sin embargo, como es una unidad muy peque�a, para medir el consumo de energ�a dom�stica se emplea otra unidad, tal vez m�s conocida: el kilowatt-hora, abreviado kWh (1 kilowatt-hora =3 600 000 joules). Otra unidad que se mencion� anteriormente es la kilocalor�a; 1 kilocalor�a = 4 186.8 joules. Tambi�n 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 (v�ase el recuadro 4) y sus m�ltiplos: 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 energ�a y potencia, c�mo se abrevian y su equivalencia. Y en el cuadro IV est�n los m�ltiplos y subm�ltiplos que se utilizan como prefijos en todas las unidades.

Recuadro 4

Sociedad inglesa de lun�ticos. Durante la segunda mitad del siglo XVIII exist�a en Birmingham, Inglaterra, una sociedad llamada Sociedad Lunar, porque sus miembros se reun�an el primer lunes posterior a la Luna llena. A la asociaci�n de lun�ticos, como se les llam�, pertenec�an: James Watt, Erasmus Darwin, Matthew Boulton, John Wilkinson y William Small, entre otros.

CUADRO III. Unidades de energ�a: conversi�n.

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. M�ltiplos y subm�ltiplos.

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 ENERG�A

La energ�a del Universo se manifiesta en diversas formas f�sicas y qu�micas: energ�a cin�tica y potencial, que en conjunto constituyen la energ�a mec�nica, energ�a calor�fica, electromagn�tica (el�ctrica y magn�tica), nuclear y qu�mica.

Cuando hablamos de las formas de energ�a no nos estamos refiriendo al origen de �sta, sino �nicamente al tipo de energ�a; en cambio, cuando aludimos a las fuentes de energ�a s� nos referimos a su origen, es decir, de d�nde se obtiene. Una fuente de energ�a como el petr�leo produce una forma de energ�a: calor�fica, mec�nica, qu�mica o el�ctrica. Tambi�n, cuando hablamos de fuentes estamos diciendo impl�citamente que se trata de energ�a aprovechable, es decir, energ�a que el ser humano puede utilizar para realizar todo tipo de actividades.

Existen los siguientes tipos de fuentes de energ�a seg�n su origen y aprovechamiento:

1) Energ�a del petr�leo, gas y carb�n. La energ�a qu�mica se convierte en calor para posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energ�a. Cuando la energ�a que proporcionan el petr�leo, el gas o el carb�n se obtiene en grandes cantidades, se transforma en energ�a el�ctrica a trav�s de las centrales termoel�ctricas o carboel�ctricas. En el caso de los transportes la energ�a se transforma en cin�tica o mec�nica (pasando por la energ�a calor�fica o t�rmica) o bien en energ�a calor�fica cuando se trata de un calentador o una estufa.

2) Energ�a hidr�ulica. En �sta se aprovechan las ca�das de agua que se originan por la diferencia de altura en un terreno, por lo tanto se trata de energ�a potencial. La energ�a hidr�ulica es energ�a mec�nica, primero potencial, cuando el agua de un r�o es detenida por la cortina de una presa y se establece una diferencia de altura, y despu�s cin�tica, cuando se deja caer el agua de la presa. Dicha energ�a cin�tica es la que se utiliza para mover un turbogenerador y producir energ�a el�ctrica en las centrales hidroel�ctricas.

3) Energ�a geot�rmica. Es la energ�a calor�fica del interior de la Tierra, la cual se transforma en energ�a mec�nica y el�ctrica a trav�s de un turbogenerador.

4) Energ�a nuclear. En �sta, la energ�a que une a los n�cleos de los �tomos se transforma en energ�a calor�fica, y �sta, a su vez, en mec�nica y el�ctrica.

5) Energ�a solar. En �sta se aprovecha directamente la radiaci�n solar para producir calor o electricidad.

6) Energ�a e�lica. Es la que utiliza la energ�a cin�tica de los vientos, que puede aprovecharse como tal o, a su vez, convertirse en electricidad.

7) Energ�a de la biomasa. Es el aprovechamiento de la materia viva y los desechos org�nicos como combustibles, por lo tanto se trata de energ�a qu�mica, que se pueden transformar en cualquier forma de energ�a. El caso de la madera es un ejemplo.

Existe tambi�n una clasificaci�n de las fuentes de energ�a de acuerdo con su duraci�n. Las fuentes no renovables son aquellas que despu�s de cierto tiempo de explotaci�n acabar�n por agotarse. �ste es el caso de los combustibles f�siles, la fisi�n nuclear y la energ�a geot�rmica. Por otro lado est�n las fuentes de energ�a renovables, entre las que se encuentran la solar y la e�lica, dado que son fuentes que para todo fin pr�ctico nunca se agotar�n.