Petróleo, civilización y potencia

Materia y energía

En determinada mirada sobre el universo, la de los físicos, en este solo hay dos cosas, materia y energía.

La materia tiene masa, forma y volumen, nuestros sentidos la perciben directamente (o eso creemos, ya que la vista en realidad es sensible a una radiación electromagnética, la visible, que ni siquiera necesita un medio material para transmitirse, el oído detecta las ondas de compresión, otra forma de transmitirse la energía, pero en este caso soportadas por un medio material, el aire. El tacto es sensible a las transferencias de calor, que percibimos como diferencias de temperatura, etc.).

Sin embargo nuestra percepción de la materia (aunque esté mediada por procesos de transmisión de energía) es más directa, concreta y cierta, mientras que la de la energía es más imprecisa, relativa y especulativa. De siempre a los charlatanes y embaucadores les ha resultado fácil hablar de difusas energías, y les resulta difícil ejercer cuando pasan al terreno de las crudas realidades “materiales”.

Energía y trabajo

Una acepción clásica de energía la define como la capacidad de realizar un trabajo, pero ¿Qué es el trabajo? Los manuales de física definen el trabajo como el proceso en el que una fuerza produce alguna modificación, por ejemplo, un desplazamiento de algo que estaba quieto, o una variación de la dirección o la velocidad de algo que se estaba moviendo.

Sin embargo el concepto de trabajo del lenguaje habitual va más allá, considera también trabajo al hecho de sostener, sin mover, un objeto. Desde el punto de vista físico, sobre ese objeto no se está realizando un trabajo, ya que no sufre ninguna modificación, y paradójicamente, la persona que está realizando ese esfuerzo, si que está trabajando; es decir, sus células musculares, en concreto dos proteínas la actina y la miosina, están utilizando energía química de enlace para trabarse una sobre otra y hacer frente al efecto del campo gravitatorio sobre el objeto manteniéndolo en su sitio ¡Sin realizar un trabajo!, ya que el objeto no se desplaza.

Energía cinética y potencial

¿Pero que ocurre cuando con una fuerza modificamos la situación de reposo de un objeto?

Cuando a una bola de billar, inicialmente quieta, le atizamos con el taco, provocamos su desplazamiento, y esta bola, que antes estaba quieta, puede golpear a otras, también inicialmente quietas, y provocar su movimiento.

Vemos que el trabajo realizado sobre la bola de billar inicial, le ha transmitido a esta la capacidad de realizar un trabajo. Es decir, el trabajo que provocó el movimiento de la bola inicial, le proporcionó a esta energía (es decir, la capacidad de realizar un trabajo). A esta energía ligada al movimiento de objetos se le llama energía cinética.

Pero la capacidad de un objeto para producir un trabajo no depende solo del movimiento, depende también del lugar en que se encuentre. A esa capacidad de realizar un trabajo en función de la posición se la conoce como energía potencial. Dicha energía es equivalente a la que hayamos empleado para colocar el objeto en esa posición.

Si tiramos un piano de cola por la ventana, y al chocar con el suelo queda destrozado, ¿De donde ha salido la energía que ha provocado el trabajo de destrozar el piano? Le fue transmitida, al piano, por los trabajadores o el ascensor que lo subió al décimo piso, y se conoce como energía potencial gravitatoria.

La elasticidad es la propiedad por la que los sólidos tienden a conservar la forma, un solido elástico deformado (por ejemplo un muelle), es capaz de realizar también un trabajo, y a esa capacidad también se la conoce como energía potencial elástica.

La energía de enlace químico, que es la que utilizamos cuando quemamos combustibles fósiles, en realidad la podemos considerar una energía potencial electrostática. Es la que liberan los electrones (con carga negativa) que comparten el carbono e hidrógeno en su enlace al formar los hidrocarburos, cuando al combinarse con el oxígeno (que es más electronegativo que el C y el H) , pasan a estar más cerca del núcleo (con carga positiva) liberando energía.

Solemos hablar también de energía fósil, hidráulica, solar..., haciendo referencia a la fuente que la proporciona, es decir, al origen de las fuerzas que nos pueden permitir realizar un trabajo. Sin embargo, aunque con distintos nombres, siempre nos estaremos refiriendo a una misma magnitud: la energía.

Sistemas, materia y energía

Hasta el momento hemos considerado la energía y el trabajo en relación con objetos concretos, pero estos no se encuentran aislados, sino que interaccionan unos con otros. Un conjunto de elementos que interaccionan entre si es un sistema. Si en ese sistema hay intercambio de materia y energía con el exterior se trata de un sistema abierto, si solo hay intercambios de energía pero no de materia, se trata de un sistema cerrado, y si no hay intercambios con otros sistemas, ni de materia ni de energía, se trata de un sistema aislado.

Nunca podremos conocer un sistema aislado, ya que al no intercambiar con otros ni materia ni energía, es indetectable, ¡No sabemos si está o no está ahí! El único sistema aislado del que tenemos noticia es nuestro universo.

El sistema terrestre, sin embargo, podemos considerarlo un sistema cerrado, porque podemos valorar como insignificantes en relación con la masa total de la tierra las toneladas de meteoritos y de polvo de meteoritos que llueve sobre la superficie terrestre (al convertirse estos en estrellas fugaces al penetrar en la atmósfera). Además, su efecto no es significativo en la dinámica terrestre (excepto en casos excepcionales, como el del meteorito que impacto con la tierra al final del cretácico y que provocó una gran extinción de especies, entre ellas los dinosaurios).

Sin embargo, aunque el intercambio de materia con el exterior podemos considerarlo despreciable, no podemos pasar por alto que la tierra recibe radiación solar y que esta tiene importantes efectos sobre su dinámica, y que a su vez, también emite radiación, la mayor parte de ella infrarroja, procedente de la energía interna de la tierra y sobre todo procedente del calentamiento de su superficie debido a la radiación solar, a esa hay que sumar la radiación solar reflejada debida al albedo. De la radiación que recibe la tierra es especialmente significativa para la biosfera la radiación luminosa, como quedó patente con el impacto del meteorito antes citado, cuyo principal efecto fue el de generar una capa de polvo que bloqueó la entrada de radiación luminosa, acabando con los ecosistemas que mantenían a los dinosaurios y determinando un nuevo rumbo para la evolución, que potenció a los mamíferos y en consecuencia, sesenta y cinco millones de años después, a nuestra especie.

Como vemos la tierra puede considerarse un sistema cerrado (porque sus intercambios de materia con el exterior son proporcionalmente muy pequeños y poco significativos en su dinámica, mientras que el intercambio de energía si que es muy relevante). Una ciudad, sin embargo, es un ejemplo de sistema abierto, ya que que canaliza un intenso flujo de salida y entrada tanto de de materia como de energía.

Energía y su transferencia: trabajo y calor

Joule construyó un aparato que consistía en un termo de vidrio con las superficies plateadas y con una doble pared entre la que se se había hecho el vacío. En su interior había un termómetro y unas aspas que se podían agitar desde el exterior. Con este instrumento comprobó que el trabajo que se realizaba agitando las aspas desde el exterior, tenía el efecto de calentar el líquido del interior, y que se necesitaba siempre el mismo trabajo para calentar una misma cantidad de agua desde una temperatura concreta a otra también determinada.

De manera que este experimento estableció que había una relación directa entre trabajo y calor, y que la energía empleada en agitar las aspas se acumulaba en el sistema cerrado del termo, como se manifestaba con la subida de temperatura del agua del termo. El incremento de temperatura de un sistema nos indica que las partículas que lo constituyen se agitan a más velocidad, es decir, tienen más energía cinética, que antes.

Como hemos visto la cantidad de energía que puede tener un sistema, su energía interna, puede variar, y esto es porque se puede transmitir de uno a otro de dos maneras, bien mediante el trabajo, es decir, mediante fuerzas que producen desplazamientos (el caso del meteorito es un buen ejemplo, también el aparato de Joule), o bien mediante el calor. Esta transmisión se produce cuando dos sistemas cerrados se ponen en contacto y no tienen la misma temperatura, entonces se transmite energía del de mayor temperatura al de menor temperatura en forma de calor, hasta que se alcanza el equilibrio térmico, es decir, hasta que igualan su temperatura.

De manera que podemos considerar tanto al calor como al trabajo como la forma en que los sistemas se transfieren energía.

En homenaje a Joule, en el sistema internacional la unidad para medir la energía y sus formas de transferirse: el trabajo y el calor, es el julio, sin embargo hay otras unidades también muy populares, por ejemplo la caloría, que equivale a 4,184 julios.

La conservación de la energía: Primer principio de la termodinámica

Ahora bien, si lo que consideramos es un sistema aislado, la cantidad de energía que contiene es constante. Este principio, validado experimentalmente, se cumple siempre, y tiene importantes consecuencias desde el punto de vista de las máquinas.

Si consideramos una máquina como un sistema, y esta desarrolla continuamente un trabajo que afecta al exterior del sistema (de la máquina), es decir, transfiere energía hacia el exterior en forma de trabajo, es necesario que la máquina reciba una cantidad equivalente de energía desde el exterior. Las máquinas que pretenden no cumplir este principio se conocen como móviles perpetuos de primera especie, y como es natural, solo funcionan en la mente de sus creadores.

Partiendo de consideraciones teóricas, que más tarde confirmaron datos experimentales, Einstein consideró a la materia como una “forma” de energía y relacionó a ambas con la siguiente expresión:

E = m c ²

Además extendió el principio de conservación al conjunto de la materia y la energía del universo, que recordemos que es un sistema aislado. Desde ese punto de vista, la suma de materia y energía del universo, al ser un sistema aislado, debe permanecer constante.

La conversión de calor en trabajo

Con la experiencia de Joule vemos que podemos transformar el trabajo íntegramente en calor, y también vemos todos los días que hay máquinas que transforman el calor en trabajo, son las máquinas térmicas, la más popular es el motor de combustión interna (que funciona con diesel o con gasolina), pero el ejemplo más relevante de ellas es la máquina de vapor, responsable del comienzo del uso de los combustibles fósiles en la industria.

El incremento de productividad en la industria fue tan grande gracias al uso de la máquina de vapor y el carbón como fuente de energía, que llevó a estudiarlas en profundidad, y ya en 1842 Carnot estableció que a diferencia de lo que ocurría con el trabajo (que si se puede convertir íntegramente en calor), no todo el calor se podía transformar en trabajo. Estableció además que para que esto ocurriese, hacían falta dos focos caloríficos, uno a más temperatura (la caldera) y otro a menos (el sistema de refrigeración), en la transmisión de energía (calor) desde el foco de mayor temperatura al de menor es cuando se puede derivar parte de la energía como trabajo. El rendimiento teórico depende de la diferencia de temperatura entre los dos focos, pero en los motores reales, en los que van circulando por ahí, este no supera el 30% (ni en los mejores automóviles) a pesar de toda nuestra tecnología. Es decir, para obtener solo 30 julios de trabajo necesitamos 100 julios de calor.

Carnot estableció, además, que no se podía convertir calor en trabajo con una máquina que tuviese un solo foco, es decir, un automóvil no puede sacar energía calorífica del aire (hay muchísima, aunque no sea un caluroso día de agosto) y convertirla en trabajo, esta máquina imaginaria se conoce como móvil perpetuo de segunda especie, y es tan imposible como los móviles de primera especie que vimos antes.

De manera que en lo que se refiere a motores hay dos cosas claras, la primera es que si una máquina desarrolla un trabajo, a esa máquina hay que aportarle, como mínimo, la misma cantidad de energía que equivale al trabajo desarrollado. La segunda es que si la energía que le aportamos es calorífica, siempre habrá que aportarle mucha más de la equivalente al trabajo que desarrolla.

Pero es que además, incluso en el primer caso, la energía que hay que aportar debe ser superior a la equivalente al trabajo útil que desarrolla, porque no toda la energía que aportamos al sistema se convierte en trabajo útil, parte de ella se utiliza en vencer rozamientos y se transforma en calor.

Las máquinas más eficientes que hemos conseguido fabricar son las turbinas de una gran central hidroeléctrica, que consiguen transformar más del 99% de la energía mecánica en eléctrica, le siguen los motores eléctricos grandes, con eficiencias del 90% y a mucha mayor distancia los motores eléctricos pequeños y la pila de hidrógeno con poco más del 60% de eficiencia.

La eficiencia de las máquinas térmicas reales, como hemos visto antes, no suelen llegar a superar el 30%, excepto en casos muy especiales como en los cohetes de combustible líquido y las grandes turbinas de vapor, con eficiencias que, en todo caso, no superan el 50%.

Resumiendo, una máquina no puede realizar un trabajo de la nada, sino a partir de la energía, además, siempre vamos a obtener menos trabajo que la energía aportada al sistema, y si la energía que transmitimos es calor, obtendremos aún mucho menos trabajo que la energía aportada.

Degradación de la energía y entropía: Segundo principio de la termodinámica

Así las cosas, aunque calor y trabajo son las dos formas en que se manifiesta la transferencia de energía, hay una diferencia cualitativa muy notable entre ambas, ya que una determinada cantidad de trabajo se puede trasformar íntegramente en calor, pero no al revés. Es en ese sentido que podemos considerar la energía que se transmite como calor como degradada, porque representa energía que ha perdido parte de su capacidad de realizar trabajo. Además, para que pueda realizarlo hacen falta dos focos a distinta temperatura.

Sin embargo, a poco que observemos nos damos cuenta de que si mezclamos agua caliente con agua fría, se rompe el orden inicial (en un lado las moléculas de agua con más energía cinética, es decir el agua a más temperatura, y en el otro lado las moléculas con menos energía cinética, es decir, el agua con menos temperatura) y de forma espontánea se mezclan y desordenan, y la temperatura se homogeneíza. No hace falta que sean dos líquidos, si se ponen en contacto dos sistemas (en estado sólido, líquido o gaseoso), espontáneamente se alcanza el equilibrio térmico. Lo que no vemos que ocurra espontáneamente es lo contrario, que se separe la masa de agua caliente de la fría, que los dos sistemas recuperen sus temperaturas iniciales y distintas.

Fijémonos que en los casos descritos se está conservando la cantidad de energía de esos sistemas, pero solo evolucionan en una dirección, en la de disminuir su organización, en la de aumentar el desorden. Esta tendencia espontánea al incremento del desorden se conoce como entropía, y es imposible que se den espontáneamente procesos que supongan una disminución de entropía.

A medida que la entropía del universo aumente con el paso del tiempo, la energía se irá degradando y los focos con distinta temperatura tenderán a desaparecer, con lo que la energía no podrá realizar ningún trabajo, y sobrevendrá la muerte térmica del universo en una expresión de Clausius. La entropía es una medida del grado de desorden y de la degradación de la energía de un sistema.

Unidades y equivalencias

Hemos visto que trabajo, calor y energía son magnitudes que se miden con las mismas unidades, y hemos citado la caloría, el caballo de vapor-hora, el kilovatio-hora y el julio, que son unidades de referencia para la energía, pero cuando se trata de analizar la contribución de los combustibles fósiles en el sistema energético mundial, no resultan cómodas, porque no tienen la escala adecuada para medir las grandes magnitudes con las que hay que tratar.

Además, los combustibles fósiles tienen masa y volumen, y su transporte es una condición previa para su uso, por lo que resultan muy útiles las unidades de energía que informan, además, de esas variables.

Las tablas que se presentan a continuación indican las principales unidades de energía que se utilizan cuando se trata del sistema energético mundial así como sus equivalencias y la nomenclatura que se usa para indicar los múltiplos de dichas unidades.

Potencia: trabajo y tiempo

El tiempo es un dato muy relevante en muchas ocasiones, y también en relación al trabajo. No es lo mismo un ascensor que suba a seis personas diez pisos en un minuto que otro que lo hace en quince. El tiempo en que se realiza un trabajo es un dato fundamental desde el punto de vista práctico. Al trabajo realizado en relación con el tiempo se le conoce como potencia, y su unidad en el sistema internacional es el vatio (W), que corresponde al trabajo de un julio en un segundo. El nombre de la unidad es un homenaje a Wat, que perfecciono la máquina de vapor de Newcomen y que señala el comienzo del uso por la industria de maquinas que utilizan combustibles fósiles. Otra unidad de potencia muy popular es el caballo de vapor (HP) que equivale a 735,75 vatios.

Hay unidades de trabajo (o energía) que se suelen confundir con las unidades de potencia, debido a que su nombre incluye el tiempo, pero si

Potencia = Trabajo / Tiempo

Trabajo = Potencia _* Tiempo

y en consecuencia el caballo de vapor · hora, que se usa mucho en ingeniería y el kilovatio · hora (kWh), que se usa mucho en electricidad, son unidades de trabajo (o energía) y corresponden, en el primer caso, al trabajo realizado durante una hora por una máquina con un caballo de vapor de potencia y en el segundo, al trabajo realizado durante una hora por una máquina con un kilowatio de potencia. Lo mismo puede decirse, por ejemplo, del vatio·hora (Wh) o del teravatio·hora (Twh): No son unidades de potencia.

El consumo mundial de energía

El consumo de energía en nuestra sociedad se suele dar en función del tiempo, es decir, por días o años. Aquí vemos algunas equivalencias de magnitudes comúnmente usadas:

De manera que, por ejemplo, los 85 millones de barriles día de combustibles líquidos que se están produciendo en la actualidad (fundamentalmente petróleo), corresponden a un consumo anual de 31,025 gigabarriles (30,66 GB/a).

Si nos fijamos, se trata en realidad de magnitudes de potencia que se podrían expresar en watios, cosa que conviene hacer cuando se trata de comparar energías de origen muy diverso.

Podemos calcular muy fácilmente a cuantos vatios corresponden los 10 millones de barriles día pasando los Twh/a de la última casilla a vatios, convirtiendo horas y años a segundos y operando, el resultado es que

Como parece que el techo de consumo actual de combustibles líquidos (a principios del año 2006) ronda alrededor de unos 85 millones de barriles día, podríamos decir que la potencia de nuestra civilización en estos momentos, en lo que se refiere a los combustibles líquidos (petróleo y otros), es de: