V. LA ENERGÉTICA
EN NUESTRO lenguaje se define así la palabra energía: poder para obrar, fuerza de voluntad, vigor, tesón en la actividad y causa capaz de transformarse en trabajo mecánico.
Los animales, al alimentarse, están empleando un recurso energético que les permite mantener en actividad su prodigioso organismo, realizar trabajos mecánicos y mantener en funcionamiento su computadora cerebral.
Los antepasados del hombre, hace más de un millón de años, descubrieron cómo 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 aprendió fue que, al aplicar a la piedra la fuerza de su brazo, durante una distancia, ésta adquiría una energía de movimiento que producía acciones importantes al descargar su energía contra un objeto. Un efecto similar se obtenía tomando con la mano una corta y gruesa rama de árbol. Por supuesto, este razonamiento técnico es a posteriori.
En tiempos más recientes, el antepasado del hombre, el llamado hombre de Pekín, aprendió a usar la energía del fuego. El fuego es una energía química que se produce al quemar el carbón de la madera, en una atmósfera de oxígeno, produciéndose bióxido de carbono, que es un gas.
Hace decenas de miles de años, el hombre usaba en su provecho la energía cinética o de movimiento del hacha, el mazo y la lanza. Descubrió, además, cómo fabricar proyectiles con mucha energía cinética. En la honda, la piedra va adquiriendo su gran velocidad, a través de un largo recorrido circular de varias vueltas. Con la cerbatana, el dardo va adquiriendo su energía a lo largo de su recorrido en el tubo o carrizo.
El descubrimiento del arco y la flecha transformó al hombre en poderoso cazador y guerrero. La flecha adquiere su energía durante la distancia en que la cuerda en tensión le aplica una fuerza a la flecha.
Al dejar caer un cuerpo desde cierta altura, obrará sobre él una fuerza (su propio peso) sobre un cierto recorrido (la altura) por lo que al caer al suelo llevará una energía de movimiento o energía cinética que estará dada por:
Energía cinética = Peso por altura
Un cuerpo que se mueve tiene energía de movimiento y en la física de Galileo y Newton se demuestra que:
Energía cinética = Masa por (velocidad al cuadrado) entre dos
O sea que si un coche se mueve al doble de la velocidad de otro igual, su energía será cuádruple que la del coche lento, porque su energía depende del cuadrado de su velocidad, y si el rápido tiene una velocidad triple que la del lento, su energía cinética será 9 veces mayor.
En la física la energía se mide en joules. Una masa de un kilogramo al caer de una altura de un metro al nivel del mar, adquiere una energía de 9.81 joules (9.81 es la aceleración de la gravedad al nivel del mar).
El hombre ha aprendido a usar las seis diversas formas de energía que se conocen y a transformar un tipo de energía en otro.
Energía mecánica. Existe en dos formas, la cinética y la potencial. Cuando un niño se mueve en un columpio, hay un momento en que se encuentra en reposo, en este caso se dice que tiene energía potencial, porque se encuentra en la altura máxima y la gravedad puede obrar y devolverle su energía cinética. Cuando está en el punto más bajo, su energía cinética es máxima y en este caso la potencial es mínima.
El calor. El vapor de una caldera, al pasar a un cilindro, lo mueve y hace girar a las ruedas de la máquina. Los motores de gasolina trabajan por el calor de los gases que estallan dentro de los cilindros, haciendo que se muevan los pistones.
Energía radiante. Cubre un espectro muy amplio, que comprende las ondas de radio y televisión, la luz infrarroja, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos x y los rayos gamma de las radiaciones nucleares.
Energía química. Proviene de la transformación de unos productos químicos en otros. Los alimentos, los combustibles y los explosivos, son fuentes de esta energía.
Energía eléctrica. El hombre aprendió a emplear esta energía, a partir de:
La energía química en pilas y acumuladores, o en plantas termoeléctricas por medio de la combustión.
La energía mecánica, a partir de la energía cinética del agua que cae de una presa, del viento o de las mareas.
La energía radiante que nos llega del Sol.
La energía calorífica contenida en las capas terrestres (energía geotérmica).
Energía nuclear. Es la fuente más reciente de energía. Proviene de transmutaciones de los núcleos de los átomos. Usada con fines exclusivamente pacíficos, puede ayudar a proporcionar la energía necesaria para las fábricas, la agricultura y las comunicaciones. A fines del siglo, el combustible básico en el mundo volverá a ser el carbón, y en los países con pocas reservas de este energético, como México, la energía nuclear será de gran valor.
El Sol se mantiene caliente, gracias a que el uranio que contiene se está fisionando ya que su hidrógeno se está fusionando para formar núcleos de gas helio. En otras palabras, el Sol es un enorme reactor nuclear y la energía nuclear que produce y ha producido, a un ritmo prácticamente constante, ha permitido la existencia de vida en la Tierra.
Los científicos usan la siguiente notación para representar números muy grandes: el número diez con un numerito arriba y a su derecha (exponente), nos indica el número de ceros que debemos agregar al número uno. Para las computadoras "E" significa exponente.
106 = 1,000,000 (un uno seguido de seis ceros) = 10E+6
un exponente negativo (-6), significará
10-6 = 1/1,000,000 un millonésimo = 10E-6
La tabla siguiente nos da una idea aproximada de las energías asociadas con
algunos fenómenos.
| Caída 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 pequeño a 60 kilómetros por hora |
|
10E+5 joules |
| Comida de un día |
|
10E+7 joules |
| Recorrido de 1 000 kilómetros en coche
grande |
|
10E+9 joules |
| Bomba nuclear mediana |
I |
|
| Huracán mediano |
I |
10E+15 joules |
| Volcán en erupción |
I |
|
| Gran terremoto |
|
10E+19 joules |
| Energía que la tierra recibe del Sol
en 30 minutos |
I |
10E+21 |
| Todas las bombas nucleares almacenadas |
I |
|
| Energía de rotación de la Tierra |
|
10E+30 joules |
| Energía de movimiento de la Tierra en
su órbita |
|
10E+33 joules |
| Energía radiada por el Sol anualmente |
|
10E+34 joules |
| Explosión de una estrella supernova |
|
10E+40 joules* |
| *Nota: 10E+40 significa un uno seguido de cuarenta ceros.
|
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En la construcción de sus templos y pirámides, los antiguos utilizaron las llamadas máquinas simples. Los estudios de Arquímedes sobre las palancas nos muestran sus conocimientos respecto a las palancas, las poleas, el plano inclinado y el tornillo. Él hizo ver que la reducción de la fuerza empleada con cualquiera de estas máquinas se compensaba con su aplicación durante un recorrido mayor, o sea que el trabajo realizado (fuerza por distancia) se mantenía el mismo con o sin la máquina simple. Éste fue un primer paso hacia el principio de la conservación de la energía que los físicos Mayer y Joule establecieron en 1842, y que dice la energía no se crea ni se destruye, sólo puede transformarse de una forma de energía en otra.
Los griegos sabían cómo emplear la energía potencial o de altura del agua, para mover la rueda de un molino y por medio del tornillo de Arquímedes, transformar trabajo mecánico para subir agua a cierta altura.
Hace mucho tiempo, la fuerza humana era la única disponible para sembrar, viajar, cazar, edificar y manufacturar armas y objetos. Después se ayudó con el empleo de la fuerza de diversos animales, como el perro, el caballo y el toro, a los que pudo domesticar. Posteriormente aprendió a usar la energía cinética y potencial del agua de los ríos para realizar trabajo mecánico, y la del viento, en la transportación en ríos, lagos y mares. Por último, aprendió a transformar todas las formas de energía en trabajo mecánico. En países desarrollados, el trabajo realizado por las máquinas es dos mil veces superior al trabajo humano que podrían realizar las personas que en él viven.
Al quemar madera, el carbón que contiene se combina con el oxígeno del aire para formar un nuevo compuesto, el bióxido de carbono, que es un gas, y se libera gran cantidad de energía.
Un antepasado del hombre actual, el hombre de Pekín, usaba el fuego en su provecho, hace unos 500 000 años. Esto se sabe por la enorme cantidad de cenizas encontrada en las cuevas que habitaba.
Hace 50 000 años el hombre moderno había heredado de sus antepasados el uso de este poderoso energético, el fuego, o sea la combustión química.
Durante cientos de miles de años, el principal energético del hombre y sus antepasados fue la madera.
Hace un siglo, el carbón mineral pasó a ocupar el primer lugar.
Hace medio siglo, los hidrocarburos (petróleo y gas) se transformaron en el energético principal, lugar que mantendrán hasta principios del próximo siglo, cuando el carbón mineral ocupará nuevamente ese lugar.
Dentro de veinte años, cuando las reservas de los hidrocarburos hayan disminuido notablemente, muchos países del mundo contarán con reservas importantes de carbón mineral. La URSS, Estados Unidos, Canadá, Australia, China y varios países europeos, cuentan con reservas de carbón mineral para seguir operando por unos cien años.
Los países de Latinoamérica y muchos de África que no cuentan con reservas, ni siquiera modestas, de carbón mineral, deberán emplear otros energéticos y en particular, a corto plazo (dentro de varias décadas), la energía nuclear.
Otros energéticos químicos que tuvieron y tienen una gran trascendencia en el desarrollo de la humanidad, son la pólvora, la dinamita y la nitroglicerina.
Hace dos mil años, en Egipto, Herón de Alejandría construyó la primera máquina de vapor que transformó energía calorífica en trabajo mecánico (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 acción y la reacción de Newton.
Después de este descubrimiento, el mundo tuvo que esperar a que llegaran Galileo y sus discípulos 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 construyó el primer termómetro 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 energía del fuego o sea la energía química. (Nuestro cuerpo se mantiene caliente gracias a la energía química que ingerimos en forma de alimento). Otra es absorbiendo la energía radiante que nos llega del Sol o de otro cuerpo caliente. Una más es por medio de la energía eléctrica. La energía mecánica, a través de la frotación, también produce calentamiento.
El calor que contiene un cuerpo puede emplearse en producir un trabajo mecánico.
Como una aplicación de su ley de la acción y la reacción, Newton ideó un automóvil de cuatro ruedas movido por el chorro de vapor que salía de una caldera a través de un escape dirigido hacia atrás. Este coche nunca se construyó, 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). Físico francés. Fue asistente de dos grandes físicos, el holandés Huygens y el inglés Boyle. Trabajando con pequeñas calderas de vapor, descubrió la hoy llamada olla exprés, en la que se aumenta, en un recipiente hermético, la presión y la temperatura de ebullición del agua con objeto de cocinar los alimentos rápidamente (Figura 40). Introdujo en las calderas válvulas de seguridad que evitaban que la presión aumentara más de lo debido y destruyera el equipo. Fue el primero en producir vapor dentro de un cilindro que contenía un pistón y lograr que el vapor moviera al cilindro, produciéndose así el segundo motor de vapor.
Después de Papin hubo investigadores que continuaron estos trabajos hasta llegar a los coches y las máquinas de vapor.
Figura 40. Olla exprés de Papin para cocinar alimentos. Se encuentra en el Conservatoire des Arts et Métiers de París.
Tomás Newcomen (1663-1729). Ingeniero inglés. Perfeccionó la máquina de vapor y la empleó en extraer agua de las minas. Al entrar vapor a un cilindro, movía un pistón y el cilindro se calentaba; para moverlo en sentido contrario se le echaba agua para enfriarlo, y al condensarse el vapor, se hacía vacío y este regresaba al pistón. Por 1770 había unas cien máquinas de Newcomen trabajando en las minas inglesas. Éstas eran muy ineficientes porque se perdía mucha energía en calentar y después enfriar los cilindros. Las máquinas empleaban carbón mineral.
José Cugnot (1725-1804). Ingeniero militar francés. En 1765 construyó el primer automóvil o máquina que usara vapor para moverse de un lugar a otro. El automóvil de tres ruedas, tenía en la parte delantera una rueda y la caldera. El vapor movía a un pistón que a su vez movía la rueda delantera. El automóvil estaba destinado a arrastrar piezas de artillería.
En 1770 construyó otro modelo mayor, que debía transportar una carga de cuatro toneladas a una velocidad de cuatro kilómetros por hora. Estos automóviles trabajaron, aunque su manejo era difícil y en las primeras pruebas derribó una pared, sin que el vehículo se dañara mucho. Este automóvil se encuentra actualmente, en el Conservatoire des Arts et Metiérs de París (Figura 41).
Figura 41. Esquema del automóvil de vapor de Cugnot, que se encuentra
en el Conservatoire des Arts et Métiers de París.
Para facilitar su operación las siguientes máquinas de vapor se montaron en rieles y así nació el ferrocarril.
Roberto Fulton (1765-1815). Inventor norteamericano. Trató de emplear el vapor en la construcción de un submarino, al que llamó Nautilus, y que setenta años después inspiró a Julio Verne su famosa novela.
Trató de venderle su idea primero a Napoleón y después a Inglaterra, pero sus experimentos no tuvieron éxito. Posteriormente trató de mover un barco con vapor en el río Sena y también fracasó.
En 1806 regresó a Estados Unidos, donde construyó un barco, el Clermont, en el que unas paletas mecánicas eran movidas con un motor de vapor. El barco navegó por el río Hudson, de Nueva York a Albany en treinta y dos horas. En poco tiempo construyó una flota de barcos que trabajaron eficientemente.
Jaime Watt (l736-l8l9). Ingeniero inglés. Perfeccionó la máquina 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 máquinas se volvieron más eficientes y el consumo de carbón se redujo a la tercera parte del necesario con las máquinas de Newcomen. En las máquinas de Watt el cilindro siempre estaba caliente y el condensador siempre frío.
Inventó el pistón de doble acción, en el que el vapor entraba primero por la izquierda y movía el pistón a la derecha y después entraba por la derecha, moviendo al pistón a la izquierda y así sucesivamente.
Estos motores tuvieron gran repercusión cuando se emplearon en los telares ingleses, siendo factor preponderante de la revolución industrial que se inició 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 inglés. Fue el primero a quien se le ocurrió poner una máquina de vapor sobre rieles de hierro, dando origen al ferrocarril. En 1804, su máquina de un cilindro horizontal arrastró cinco carros durante cuatro horas por catorce kilómetros. En el tren viajaban 70 personas y llevaba una carga de nueve toneladas de lingotes de hierro.
Jorge Stephenson (1781-1848). Inventor inglés. Perfeccionó la locomotora. En 1825 una de sus máquinas movió treinta y ocho carros a una velocidad de veinticinco kilómetros por hora.
En 1830 estableció una línea ferroviaria entre Liverpool y Manchester, Inglaterra.
Sadi Carnot (1796-1832). Físico francés. Desarrolló una teoría sobre la forma como el calor puede transformarse en trabajo mecánico. Las máquinas de vapor perfeccionadas por Watt tenían una eficiencia de 7%, es decir, el 93% de la energía empleada se desperdiciaba.
Carnot observó que para realizar un trabajo mecánico a partir del calor se necesitaba disponer de un cuerpo caliente y de uno frío (o menos caliente). En el caso de las máquinas 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 frío. Carnot demostró que la eficiencia máxima que puede obtenerse, depende de la diferencia de temperaturas en la máquina (Tc-Tf ).
En otras palabras, si disponemos sólo de un cuerpo muy caliente, no podemos producir un trabajo mecánico, a menos que consigamos un cuerpo frío (o menos caliente).
Para las temperaturas normales de operación de las máquinas, una buena aproximación a la eficiencia máxima que puede obtenerse es la siguiente,
En donde las temperaturas se miden a partir de la temperatura más baja que pueda existir (temperatura absoluta o Kelvin).
La temperatura Kelvin = temperatura centígrada + 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 máquina en la que el vapor tiene una temperatura de 150 grados centígrados (423 grados Kelvin) y la temperatura fría del condensador es de 20 grados centígrados (293 grados Kelvin), la eficiencia máxima que podría obtenerse sería de un 30% y, en la práctica, menor.
En la fórmula vemos que la eficiencia aumenta cuando la diferencia de temperatura entre el cuerpo caliente y el frío aumenta. A continuación, grandes líneas de ferrocarril se tendieron principalmente en Estados Unidos y Rusia, mientras que los coches de vapor tuvieron poca importancia. Las cosas cambiaron cuando el francés Lenoir construyó el primer motor de combustión interna y éste fue perfeccionado por el francés Beau de Rochas y el alemán Otto.
Juan José Lenoir (1822-1900). Inventor belga-francés. Fue el primero en construir un motor de combustión interna que trabajaba con gas de alumbrado como combustible. Construyó el primer automóvil y la primera lancha que trabajó con un motor de combustión interna (antes que él se construyeron coches y barcos movidos con motores de vapor).
Los motores de Lenoir eran muy deficientes y fueron perfeccionados en teoría por Beau de Rochas, quien ideó el motor de cuatro tiempos, y por Otto que fue el primero que lo fabricó.
Nicolás Augusto Otto (1832-1891). Inventor alemán. Fue el primero en construir los motores de cuatro tiempos, también llamados de Otto, que aún se usan en los automóviles modernos.
Durante el primer movimiento del pistón, una mezcla de aire y gasolina entra al cilindro. Durante el segundo movimiento, la mezcla es comprimida por el movimiento del pistón. Cuando la compresión es máxima, una chispa hace explotar la mezcla, ésta se expande, mueve al pistón y realiza el trabajo mecánico. En el cuarto movimiento, el pistón expulsa del cilindro los gases quemados y está listo para realizar el siguiente ciclo.
Otto construyó su primer motor en 1876, y su compañía vendió en unos cuantos años 35 000 motores. El motor de Otto hizo posible el desarrollo de la industria automovilística y de la aviación.
Rodolfo Diesel (1858-1913). Inventor alemán. Desarrolló un nuevo tipo de motor similar al de Otto, pero que no usa bujías. Por trabajar con derivados del petróleo más pesados que la gasolina y más baratos, su uso resulta más económico.
Al comprimir suficientemente el aire en el segundo movimiento, éste aumenta de temperatura lo suficiente para iniciar la combustión del petróleo que se inyecta por medio de una bomba, produciéndose la combustión durante cierto recorrido del proceso de expansión. Cuando termina la combustión, los gases calientes continúan expandiéndose y así el trabajo mecánico realizado durante el movimiento del pistón aumenta, lo mismo que la eficiencia. En estos motores no existe la explosión de un gas, sino la combustión controlada del petróleo.
Los motores diesel eran más pesados por lo que en general se empleaban en grandes instalaciones, como barcos, ferrocarriles, plantas termoeléctricas, plantas industriales y camiones grandes. En la actualidad, también se usan en los automóviles.
Wernher von Braun (1912-1977). Ingeniero alemán. Desarrollo el motor que hoy usan los aviones de propulsión 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 consistía en un tanque donde se quemaba un combustible con oxígeno, y los gases producidos a alta temperatura y presión eran expulsados en cierta dirección. Por la ley de la acción y la reacción 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 pólvora 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 oxígeno, deben emplear parte de la energía de los gases calientes en mover una turbina que comprima el aire de la atmósfera para poder introducirlo en la cámara de combustión del motor.
Existen en nuestro país numerosas regiones que cuentan con mantos de roca caliente de los que se podría extraer grandes cantidades de energía.
El problema radica en cómo extraer dicha energía de la roca. El método más simple y económico consiste en fracturar, por medio de explosiones nucleares subterráneas, una pequeña parte de la roca caliente, e inyectar agua y extraer vapor a alta temperatura que puede transformarse, por medio de turbinas, en trabajo mecánico o energía eléctrica. La roca también puede fracturarse con explosivos químicos, pero el costo aumenta notablemente. Cuando la roca se enfría, se fractura otra zona próxima y se continúa el proceso.
En el capítulo de electricidad, tratamos de su desarrollo a través de los trabajos de Coulomb, Ohm, Ampère, Faraday y Maxwell.
La maravilla de este energético radica en que cualquier otra forma de energía puede transformarse en energía eléctrica, enviarla por un alambre y transformarla nuevamente en otra forma de energía. A esta flexibilidad se debe que la energía eléctrica se use cada vez más en los hogares, las fábricas y el campo.
Energía eléctrica a partir de energía mecánica. Un ejemplo es el dínamo de una bicicleta que transforma una rotación en la luz de su lámpara eléctrica. En este principio (ley de Faraday) se basa la producción de la energía eléctrica producida por las grandes caídas de agua de las presas.
En las plantas termoeléctricas, la energía química del petróleo se transforma en energía mecánica por medio de grandes motores Diesel y ésta a su vez se transforma en energía eléctrica por medio de generadores o dínamos.
Energía eléctrica de la energía química. En las pilas eléctricas y en los acumuladores, la energía química se transforma directamente en energía eléctrica.
Energía eléctrica a partir de energía radiante. Las placas de silicio y otros elementos, al recibir energía radiante, la transforman directamente en energía eléctrica. Por este método trabajan sin baterías algunas pequeñas calculadoras, exposímetros de fotógrafos y satélites de comunicaciones.
Si en el futuro se logra producir estas placas a precios bajos y se aumenta su vida útil ante grandes calentamientos y fenómenos meteorológicos, se podrá obtener de muchas zonas áridas una gran cantidad de energía eléctrica.
Energía eléctrica 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 frío, en el anillo se crea o se produce una corriente eléctrica. Estas uniones, llamadas termopares eléctricos, se emplean como termómetros para medir y controlar procesos industriales que se realizan en hornos a alta temperatura.
Energía nuclear en energía eléctrica. La energía producida en los reactores nucleares se emplea en producir vapor de agua a alta temperatura que a su vez se transforma en trabajo mecánico por medio de turbinas de vapor y posteriormente, por medio de dínamos, en energía eléctrica.
La energía radiante es indispensable para la existencia misma de la vida.
La energía 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 años. Esta radiación permite que actúe la clorofila de las plantas y transforme la energía radiante en vida vegetal y de ahí la existencia de vida animal.
Newton encontró que la luz blanca, que es energía radiante, está formada por los siete colores del arco iris. Otros físicos encontraron que más allá del color rojo existen radiaciones que el ojo no ve y las llamaron infrarrojas, y que después del violeta existen otras radiaciones invisibles al ojo humano, pero no a los instrumentos, las ultravioletas.
Maxwell, al desarrollar su famosa teoría electromagnética de la luz, demostró que la luz es un fenómeno electromagnético y encontró que debían existir otros tipos de ondas electromagnéticas. Éstas han dado lugar a las ondas de radio, las de televisión y las microondas. Los rayos X y la radiación gamma que emiten las sustancias radiactivas también son ondas electromagnéticas.
Toda onda tiene asociada una longitud de onda; en el caso de las ondas en el agua, éstas son visibles y es la distancia entre dos crestas próximas. La frecuencia nos dice cuántas vibraciones se producen cada segundo. La zona visible cubre una pequeña parte del espectro de las radiaciones electromagnéticas.
La mayor parte de la energía que nos llega del Sol es radiación infrarroja y aun con los ojos vendados nuestra piel la siente, por la energía 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 atmósfera 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 más obscura.
Guillermo Roentgen (1845-1923). Físico alemán. Descubrió los rayos X. Investigando la luminiscencia que producen haces de electrones sobre ciertas substancias (como las empleadas en las pantallas de los televisores modernos), encontró que de los tubos de rayos catódicos que empleaba en sus estudios salían radiaciones que hacían luminosas estas sustancias aunque tuvieran que atravesar, para llegar a ellas, materiales opacos a la luz.
Como no sabía que tipo de radiación era la que había descubierto, la llamó rayos x; por ser la letra X la que se usa en matemáticas para expresar una incógnita.
Su descubrimiento lo realizó en 1895, y en una conferencia dictada en enero de 1896 pidió un voluntario del público y le sacó la radiografía de su mano, en la que se veían claramente sus huesos.
Esta tecnología 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 comenzó a sospechar en la existencia de una nueva fuente de energía. Todos los esfuerzos que se hicieron para explicar por qué el Sol ha permanecido a una temperatura prácticamente constante durante centenas de millones de años fracasaron. La vida en la Tierra, que cuenta ya millones de años, necesita de una radiación solar prácticamente constante para subsistir. Al considerar la energía calorífica y gravitacional del Sol, éste debía enfriarse en relativamente poco tiempo debido a la enorme cantidad de energía que radia.
Parte de la incógnita se despejó en 1905, cuando Einstein desarrolló su famosa teoría de la relatividad.
Alberto Einstein (1879-1955). Físico alemán. En 1905 publicó varios trabajos, uno de ellos explicando el efecto fotoeléctrico, o sea la emisión de electrones por sustancias, bajo la acción de la luz. Por este trabajo se le otorgó el premio Nobel en 1921.
Otro de los trabajos que publicó ese año fue el desarrollo de la teoría de la relatividad, que es la que nos interesa en este capítulo.
En la física clásica de Galileo, Newton y Maxwell se requería de un éter en el que el movimiento de los cuerpos fuera absoluto. Si un tren se movía respecto al éter y una persona que viajaba en él lanzaba una pedrada en dirección del movimiento del tren, desde el sistema del éter la piedra se movería con una velocidad mayor, igual a la suma de la velocidad del tren más la velocidad con la que el pasajero lanzó la piedra.
La Tierra en su movimiento orbital se mueve con una velocidad de treinta kilómetros en cada segundo y por hacerlo alrededor del Sol en una órbita casi circular, su velocidad actual será opuesta a la que tendrá dentro de medio año.
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 después, cuando la Tierra se aleja.
El experimento fracasó y no pudieron encontrar diferencia en la medida precisa que hicieron de la velocidad de la luz.
Este fracaso se convirtió en éxito, pues le sirvió a Einstein para postular que la luz en el vacío se propaga a la misma velocidad, sin importar que la fuente luminosa o el observador se muevan. Es decir, que Einstein descartó el éter que se empleaba antiguamente, lo mismo que los movimientos absolutos. Todos los movimientos son relativos a otros sistemas. No hay sistemas absolutos y de ahí el nombre de la teoría de la relatividad.
El resultado más espectacular de esta teoría es su postulado de que la masa es una forma de energía. Antes de Einstein, el griego Epicuro y el francés Lavoisier establecieron el principio de la conservación de la masa, y por otro lado, Joule y Helmholtz el de la conservación de la energía. Ahora estos dos principios se unen para tener la conservación del sistema masa-energía.
La ecuación encontrada por Einstein para la equivalencia entre masa y energía es:
energía igual a masa por el cuadrado de la velocidad de la luz en el vacío.
Como la velocidad de la luz en el vacío es enorme, c = 300 000 000 metros por segundo, y su cuadrado mucho mayor, c² = 90 000 000 000 000 000, pequeñas cantidades de materia, contienen cantidades enormes de energía.
Einstein no encontró la manera de transformar la masa en energía mecánica u otra forma de energía, pero su resultado condujo a otros científicos a descubrir la energía nuclear y así encontraron el origen de la energía del Sol y las estrellas y como transformar la masa en energía.
Investigaciones iniciales de la energía nuclear. El origen de la energía nuclear se remonta a fines del siglo pasado cuando, en Francia, Becquerel descubrió 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 época, Thomson, en Cambridge, Inglaterra, descubre el electrón que es una partícula mucho más pequeña que los átomos (antes considerados lo más pequeño). Los átomos están formados por partículas menores. Posteriormente demostró que existen dos isótopos del elemento químico neón, es decir dos átomos de neón que tienen diferente peso e iguales propiedades químicas. En 1906 recibió el premio Nobel por el descubrimiento del electrón. 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). Físico neozelandés. Fue asistente de Thomson y la primera persona en realizar una transmutación de los elementos: algunos átomos de nitrógeno los cambió en oxígeno. Estudiando la radiación emitida por las sustancias radioactivas, observó que hay tres diferentes tipos de radiaciones, una llamada alfa formada por partículas positivas que resultaron ser núcleos de helio, otra llamada beta, constituida por electrones y una tercera, a la que llamó gamma, que son radiaciones electromagnéticas similares a los rayos X.
En 1917 observó que proyectando partículas alfa (núcleos de helio) en un recipiente con nitrógeno, se producían algunas partículas penetrantes que resultaron ser protones o sea núcleos de hidrógeno y se formaron átomos de oxígeno.
De cada 300 000 partículas alfa, emitidas por las sustancias radiactivas, una producía la transmutación de un átomo de nitrógeno en uno de oxígeno.
En esa forma, Rutherford descubrió otra partícula subatómica, el protón, que cuando se combina con un electrón forma un átomo de hidrógeno.
Al proyectar Rutherford partículas alfa contra películas delgadas de diversos elementos, observó que estas eran desviadas de su trayectoria, y en algunas ocasiones casi en dirección opuesta a la inicial. Rutherford lo interpretó como que la partícula alfa, que tiene carga eléctrica positiva, era rebotada por una repulsión eléctrica producida por un pequeño núcleo atómico, también positivo (dos cargas eléctricas positivas, se repelen de acuerdo con la ley de Coulomb).
Del estudio de estas colisiones, pudo deducir qué tanto se acercaba la partícula alfa al núcleo atómico, de donde calculó las dimensiones del núcleo de los átomos.
Para Rutherford, los átomos están formados por un núcleo 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 órbitas por la atracción eléctrica entre cargas opuestas.
Normalmente, las cargas positivas del núcleo son de la misma magnitud que las negativas de los electrones y los átomos parecen no tener carga eléctrica. Si se arranca uno de los electrones, el átomo muestra una carga total positiva y se llama átomo ionizado.
Para realizar estos estudios, Rutherford tuvo que contar con métodos para detectar a las partículas.
Al chocar una partícula alfa (núcleo de helio) o un protón (núcleo de hidrógeno) o un electrón, contra una pantalla fluorescente (como la de un televisor), produce un destello luminoso que puede observarse con anteojo o microscopio. Este método fue empleado por Thomson en el descubrimiento del electrón.
El inglés Wilson, asistente de Thomson, encontró que si en una cámara o recipiente que contenga vapores de agua y alcohol se efectúa una expansión por medio de un pistón, se producirán gotitas de agua o alcohol alrededor de los iones existentes. Si colocamos una sustancia radioactiva dentro de la cámara, las partículas alfa emitidas producirán, a lo largo de sus trayectorias, la ionización del gas de la cámara y sus trayectorias se harán visibles por las gotitas que se forman a lo largo de ellas. A este instrumento se le llamó cámara de Wilson y por este descubrimiento recibió su inventor el premio Nobel en 1927.
El alemán Geiger, asistente de Rutherford, inventó 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 partícula ionizante (alfa, beta, gamma, protón), la ionización que producen en el gas es suficiente para producir en éste una avalancha de corriente eléctrica que puede detectarse en una bocina o moviendo la aguja de un medidor eléctrico. Con este aparato se localizaron los depósitos de mineral de uranio.
Las emulsiones fotográficas también detectan partículas ionizantes, porque dejan en la emulsión su trayectoria que puede observarse con la ayuda de un microscopio.
Al pasar las radiaciones por algunos materiales transparentes, parte de su energía se transforma en luz, la que puede ser detectada con sensores especiales.
Existen en los países más desarrollados aceleradores de partículas muy poderosas que producen haces de átomos muy ionizados con gran energía, y velocidades que casi igualan la de la luz en el vacío. Si estas partículas se lanzan contra un blanco de peso medio, al chocar se desintegran en un gran número de fragmentos. En la portada se muestran los fragmentos producidos al lanzar un átomo de lantano de alta energía contra un núcleo de lantano en reposo.
El blanco se encuentra dentro de una cámara que contiene un gas que se ilumina a lo largo de las trayectorias de los fragmentos durante una pequeña fracción de segundo, pero que permite tomarles fotografías desde tres direcciones. La existencia de un campo magnético en la cámara produce trayectorias curvas, cuyo radio de curvatura proporciona información sobre la masa y la energía de los pedazos. La luminosidad de la trayectoria aumenta con el peso o tamaño del fragmento.
En 1930 el físico alemán Walther Bothe observó que al bombardear el elemento berilio con partículas alfa, se producía una extraña radiación que no pudo identificar, pero que al lanzar esa radiación sobre parafina se producían protones.
La explicación de este experimento la dio el físico inglés Jaime Chadwick en 1932, al descubrir que la radiación misteriosa estaba formada por neutrones, partículas sin carga eléctrica que tenían casi la misma masa del protón (unas dos mil veces la masa del electrón).
Al chocar los neutrones, como bolas de billar, contra los núcleos de los átomos de hidrógeno, que son muy abundantes en la parafina, les comunicaba su energía y se emitían los protones.
Werner Heisemberg (alemán) sugirió que todos los átomos de los elementos estaban formados por un núcleo pequeño y pesado, formado por protones y neutrones, a los que rodeaba una nube de electrones (negativos) en igual número al de los protones (positivos) para producir átomos neutros.
El número de protones o de electrones del átomo definía el elemento, uno para el hidrógeno, dos para el helio, hasta llegar a 92 para el uranio. El número de neutrones sólo cambiaba el peso del átomo y así se tenían diferentes isótopos (el mismo lugar en la tabla periódica) de cada elemento.
Los físicos idearon aparatos (espectrómetros magnéticos) para encontrar los isótopos de todos los elementos. El número de partículas en el núcleo (nucleones = protones + neutrones) definió el isótopo de cada elemento. Se encontró el hidrógeno al que se llamó deuterio (un protón y un neutrón) y el hidrógeno al que se llamó tritio (un protón y dos neutrones), y así hasta llegar al uranio (U) con tres isótopos, U234, U235 y U238.
Los científicos no quedaron satisfechos con saber cuántos isótopos de los elementos existían, sino que quisieron transmutar unos en otros, crear nuevos isótopos y también nuevos elementos no existentes en la naturaleza. Para eso inventaron los aceleradores de partículas; emplearon los haces de neutrones y continuaron empleando partículas alfa.
Juan Gockroft (1897- ). Físico inglés. Inventó, con Ernesto Walton, un acelerador de protones (1932) y con él bombardearon litio, produciendo en la reacción nuclear helio. Esta fue la primera reacción nuclear producida con un acelerador de partículas.
El descubrimiento de la fisión nuclear
En 1938, poco antes del inicio de la segunda Guerra Mundial, había en Europa tres importantes grupos de científicos que empleaban los neutrones en sus investigaciones nucleares. El grupo de Roma, dirigido por Enrique Fermi, el grupo de París por Federico Joliot-Curie y el grupo de Berlín por Otto Hahn.
Fermi bombardeó con neutrones el elemento más pesado y último de la tabla periódica, el uranio. Buscaba la producción de elementos nuevos más pesados que el uranio (transuránicos) y encontró que se producía una mezcla de elementos difícil de interpretar.
Irene Curie halló que uno de esos elementos tenía propiedades químicas muy similares a las de un elemento de la parte media de la tabla periódica.
Otto Hahn descubrió que todos los elementos producidos tenían propiedades químicas similares a los elementos que se encontraban en la región central de la tabla periódica.
A principio de 1939, Otto Frisch y Lise Meitner, en el Instituto Bohr de Copenhague, dieron la explicación de lo que en realidad sucedía: agregar un neutrón al pesado núcleo de uranio lo excitaba y lo dividía en dos partes más o menos del mismo tamaño, como una gota de agua demasiado grande que se divide en dos. Se había descubierto la fisión nuclear.
Las dos partes en que se divide el núcleo tienen carga positiva (protones) y, por estar muy cerca uno de otro, sufren una fuerza eléctrica de repulsión muy grande que los hace alejarse uno del otro con gran velocidad o sea que adquieren gran energía de movimiento. En otras palabras, se libera en esta reacción gran cantidad de energía. Visto el fenómeno desde la transformación de masa en energía, de acuerdo con la fórmula de Einstein, uno por mil de la masa original, se transformó en energía cinética.
Lo que es más importante, Joliot encontró, a principios de 1939, que cuando un neutrón fisiona a un núcleo de uranio se producen dos o tres nuevos neutrones libres que pueden continuar fisionando otros núcleos, es decir se puede producir una reacción nuclear en cadena.
Federico Joliot (1900-1958). Físico francés. Se casó con Irene Curie, hija de Pedro y María Curie. Fue colaborador de María Curie, y por la admiración que por ella sentía, cambió su apellido a Joliot-Curie. Trabajando con su esposa, bombardeó aluminio con partículas alfa, en 1934, y encontró que se producía un nuevo isótopo del fósforo que no existía en la naturaleza y que, terminado el bombardeo, seguía emitiendo radiaciones. Habían encontrado la radiactividad artificial, que es importante en la medicina moderna.
Por este descubrimiento él y su esposa recibieron el premio Nobel de Química en 1935.
Al ver que en la fisión nuclear se producen dos o tres neutrones que pueden continuar fisionando a otros núcleos de uranio (reacción en cadena), presentó al Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS), en mayo de 1939, tres patentes secretas; las dos primeras para liberar energía en reactores nucleares de uranio y agua pesada y la tercera sobre cargas explosivas nucleares (Figura 44).
Figura 44. Reacción nuclear en cadena.
El estallido de la guerra ese mismo año obligó a que se enviara a Inglaterra, en 1940, el agua pesada con que estaba investigando.
Por permanecer en Francia durante la ocupación alemana, perdió la oportunidad de construir el primer reactor nuclear, honor que le correspondió al italiano Fermi en Estados Unidos.
Enrique Fermi (1901-1954). Notable físico italiano. Descubrió que cuando a los neutrones se les hace pasar por materiales que contengan mucho hidrógeno, como la parafina o el agua, debido a colisiones, como las de las bolas de billar, pierden velocidad, se vuelven lentos y son más fácilmente capturados por otros núcleos, siendo por lo tanto más efectivos para producir reacciones nucleares.
Tratando de producir elementos transuránicos, lanzó estos neutrones contra uranio, iniciando así las investigaciones que condujeron al descubrimiento de la fisión nuclear.
Por sus trabajos con neutrones recibió en 1938 el premio Nobel de Física, y por ser su esposa judía, y ser él enemigo del facismo, de Estocolmo pasó con su familia a radicar a Estados Unidos.
Un italiano (se naturalizó norteamericano hasta 1945) dirigió en la Universidad de Chicago la construcción del primer reactor nuclear de uranio natural, que empleaba grafito para hacer lentos a los neutrones. El reactor entró en operación el 2 de diciembre de 1942 y en esa fecha se inició la era nuclear en que vivimos. Debe recordarse que, en ese tiempo, Estados Unidos estaba en guerra contra Italia.
El elemento transuránico con 100 protones, producido artificialmente, recibió el nombre de fermio en su honor.
Desarrollo de los usos pacíficos de la energía nuclear
En diciembre de 1946 entró en operación el primer reactor nuclear soviético en Sverdlovsk. Fue diseñado por Igor Kurchatov, y fue el primero que produjo electricidad para uso público. Aún se encuentra en operación.
En agosto de 1947 entró en operación el primer reactor nuclear británico.
En diciembre de 1948 entró en operación el ZOE, primer reactor nuclear francés.
En 1951 el reactor nuclear noruego-holandés entra en operación.
En 1959 el barco rompehielos Lenin con motor nuclear inició sus operaciones.
A fines del siglo, cuando las reservas de hidrocarburos hayan disminuido notablemente y no sea posible ni conveniente seguirlas quemando, la energía nuclear, usada exclusivamente con fines pacíficos, será de vital importancia para los países de Latinoamérica, que por no tener reservas significativas de carbón mineral, necesitarán de todos los energéticos disponibles para sobrevivir.
La operación de un reactor nucleoeléctrico como el de Laguna Verde, México, se muestra esquemáticamente en la Figura 45.
Figura 45 Operación del reactor nuclear de Laguna Verde, México, en forma esquemática.
