Reciclado y degradación de la energía
Gabriel Gellon, Diego Shalom
Por qué esta secuencia
Esta secuencia explora conceptos complejos y raramente tratados en clases de nivel preuniversitario. Su objetivo es desarrollar las ideas profundas detrás del segundo principio de la termodinámica. Si la energía no se puede crear ni destruir, ¿por qué nos preocupan tanto las fuentes de energía? ¿No podemos acaso reciclarla? Exploramos los cambios de energía mecánica para concluir que, en estos casos, siempre hay disipación en forma de energía térmica. En un segundo paso, vemos que la conversión a energía térmica puede ser 100 % eficiente, pero que otras transformaciones generalmente no lo son. En un tercer paso, vemos que la energía térmica no puede ser transformada en su totalidad en otras formas de energía, lo que implica que el Universo tiende a acumular energía térmica. Finalmente, vinculamos estos efectos con la tendencia general de los sistemas a evolucionar a estados cada vez más desordenados. Presentamos de manera conceptual el término “entropía”.
Contenidos de enseñanza
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¿Reciclado de energía?
¿Es posible reciclar la energía? Comenzamos analizando una situación mecánica: la oscilación de una hamaca. Vemos que ciertos tipos de fuerzas permiten, en principio, conversiones de un tipo de energía a otro sin pérdida (fuerzas conservativas). Pero en la realidad siempre interviene otro tipo de fuerzas que hacen que parte de la energía mecánica se “pierda” en forma de energía térmica (calor).
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Eficiencia de los procesos energéticos
Las transformaciones de energía no son siempre lo que deseamos: no toda la energía se transforma como nos convendría. Las nuevas lamparitas eléctricas (led) y los autos híbridos han aumentado la eficiencia de algunas transformaciones. Pero, con frecuencia, parte de la energía termina transformada en calor y, a menos que podamos recuperarla, parece una “pérdida”.
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Máquinas térmicas
Dado que la energía parece tener una tendencia a transformarse en formas térmicas, sería deseable poder transformarla en variedades más útiles. Esto es precisamente lo que hacen máquinas térmicas como la máquina de vapor. Por desgracia, existe un límite teórico para la cantidad de energía térmica que podemos volver a utilizar.
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Degradación de la energía
Hay fenómenos en la naturaleza que ocurren en un determinado orden y no en el contrario, lo que indica el sentido de la “flecha del tiempo”. Están marcados por cambios energéticos que suceden en una dirección pero no en la otra, como el flujo del calor de caliente a frío. Por esta razón la energía no puede ser totalmente reciclada.
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Entropía y desorden
La dirección de la flecha del tiempo está dada por el aumento del desorden en el universo. Esta regularidad está encapsulada en la segunda ley de la Termodinámica y se mide a través de una “fórmula” llamada entropía. Exploramos de manera sencilla la entropía como una medida del desorden a nivel microscópico.
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Acerca de los autores
Gabriel Gellon
Biólogo, docente, divulgador. Expedición Ciencia. Buenos Aires, Argentina.
Diego Shalom
Físico, investigador y docente. CONICET. CABA, Argentina.
Revisada por
Laura Estrada (IFIBA-UBA-CONICET / FCEN-UBA)