La energía comunicada a una carga q por un campo eléctrico que la traslada entre dos puntos A y B de un circuito, es igual al producto de la carga por la diferencia de potencial (V_A-V_B). Así, cuando un conductor de resistencia R tiene sus extremos conectados a una tensión V y, por lo tanto, circula por él una intensidad i, consume una energía igual a W = V·i·t. Si calculamos la energía por unidad de tiempo —es decir, la potencia P- obtendremos las siguientes expresiones equivalentes:

Efecto Joule

¿Qué ocurre con esta energía? Si consideramos una corriente estable, debe salir del conductor, puesto que las cargas no se aceleran. La pérdida de energía potencial que experimentan las cargas es absorbida por los choques de éstas con los restos atómicos del conductor, que aumentan así su agitación térmica: el conductor se calienta. La energía eléctrica se disipa en forma de calor, lo cual constituye el efecto Joule. Este efecto es aprovechado en multitud de aparatos productores de calor de uso muy corriente, tales como estufas, planchas, cocinas, etc. Así mismo, como los cuerpos a altas temperaturas emiten radiación luminosa, el efecto Joule es aprovechado en las lámparas de incandescencia, en las cuales un hilo conductor de muy alto punto de fusión, colocado en una atmósfera inerte, emite luz cuando es recorrido por la corriente eléctrica.

Cuando la intensidad de la corriente que circula por un circuito no deba sobrepasar un determinado valor para no dañar los elementos, se intercala un pequeño conductor de bajo punto de fusión que, en caso de que sea necesario, corta la corriente: es el fusible.

La energía eléctrica consumida es producida por el generador. Además del efecto Joule, otros efectos útiles permiten la transformación de dicha energía. El efecto químico es utilizado en la electrólisis; y las fuerzas magnéticas, que aparecen relacionadas con la circulación de la carga eléctrica, se aprovechan en los motores, en los cuales la energía eléctrica se transforma, finalmente, en energía mecánica.

La red eléctrica

Vamos a observar el proceso de producción, transporte y utilización de la corriente eléctrica, sea industrial o doméstica. La corriente alterna varía continuamente el sentido de su intensidad (100 veces por segundo; 120 en algunos países). La producción se realiza generalmente en gran escala. Las centrales de producción utilizan, como energía primaria, la del agua, ya se encuentre embalsada (centrales hidroeléctricas) o esté en movimiento (sean las mareas o las olas del mar), el viento (centrales eólicas), la energía térmica obtenida de los combustibles, sean éstos fósiles (centrales térmicas) o. nucleares, etc.

En todos los casos, la energía cinética conseguida se transforma en energía de rotación mediante una turbina que, a su vez, hace que gire el rotor de un alternador, entre cuyos bornes aparece una tensión. En general, la tensión de salida de la corriente producida por las centrales eléctricas está entre 5 y 30 kV. En la propia central se eleva, mediante un conjunto de transformadores, hasta valores que pueden llegar a los 380 kV, lo cual facilita su transporte, a través de la red de alta tensión, a los centros de distribución. En éstos, otra serie de transformadores reducen escalonadamente los valores de la tensión hasta los habituales en usos domésticos (125 a 220 V) o industriales (220 Vo 380 V).

Generalmente, todas las centrales eléctricas están conectadas a una red única que las interrelaciona a través de estaciones de enlace y que abarca grandes extensiones de territorio, de diversos Estados, para evitar los desequilibrios en el consumo o en la producción que localmente se puedan producir.

Interior de una central hidroeléctrica.

Para reducir las pérdidas de energía por calentamiento, y dado que no es conveniente aumentar la sección del hilo, se transporta la corriente o alta tensión.

Al aumentar el potencial, la intensidad disminuye en la misma proporción y la pérdida de energía es menor (la potencia disipada es proporcional al cuadrado de la intensidad).

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Si vemos un auto que se desplaza en una ruta, sabemos que hay una fuerza que está realizando trabajo sobre las ruedas para que esto suceda.

Si un jugador de fútbol-por ejemplo, Messi-acelera para patear un tiro libre, hay una fuerza ejercida sobre la pelota por el jugador que realiza trabajo.

Si hay un libro sobre la mesa y María quiere ponerlo en un estante, María provee la fuerza para hacer trabajo sobre el libro.

Si unas pesas son levantadas por un levantador de pesas, él provee la fuerza para hacer trabajo sobre las pesas.

En todos estos ejemplos, los objetos poseen alguna forma de energía obtenida por la fuerza que realiza trabajo. Los que realizan trabajo (el auto, Messi, María, el levantador de pesas) poseen energía química potencial almacenada por los alimentos o el combustible que se transforma en trabajo. En el proceso de hacer trabajo, los objetos que hacen trabajo intercambian energía, cediéndola para que otro cuerpo la adquiera.

La  energía mecánica es aquella que tiene un objeto debido al movimiento o que está almacenada por un cambio de posición. Es decir que puede ser cinética (movimiento) o potencial (energía almacenada).

Los objetos tienen energía mecánica si están en movimiento y/o si están en alguna posición relativa al cero de energía potencial. Cuando se patea una pelota de fútbol, esta tiene energía cinética debido al movimiento y tiene energía potencial debido al cambio de la posición vertical respecto del piso (energía potencial gravitatoria). Un objeto que posee energía mecánica tiene la capacidad de realizar trabajo.

Como ya dijimos, la energía mecánica de un objeto puede ser el resultado del movimiento (cinética) y/o el resultado de la energía almacenada por la posición (potencial). La cantidad de energía mecánica es simplemente la suma de la energía cinética más la energía potencial. Cuando hablamos de esta suma, nos referimos a la energía mecánica total (E)

Si en el sistema hay solamente fuerzas conservativas, o el trabajo de las fuerzas no conservativas es cero, la variación de la energía mecánica total es cero.

Esto nos dice que la energía es una constante de movimiento, es decir, que la energía se conserva.

Un claro ejemplo es que en muchos lugares del país, hay vientos que corren a considerable intensidad y se utilizan para mover las aspas de los molinos. La energía mecánica les aplica una fuerza a las aspas del molino y causa el desplazamiento de ellas. Como sus aspas rotan, su energía se convierte en energía eléctrica (energía no mecánica) y provee lo suficiente para mantener el consumo doméstico y/o industrial. Debido a que el viento tiene energía mecánica (en la forma de energía cinética), puede hacer el trabajo sobre las aspas del molino.

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TERMODINÁMICA

La termodinámica trata las leyes que rigen la trasformación de energía en un sistema, incluyendo naturalmente, el calor como forma de energía. Estas leyes fueron descubiertas y expresadas matemáticamente hacia mediados del siglo XIX. La termodinámica comprende los procesos térmicos, mecánicos, eléctricos y químicos.

PRINCIPIO CERO

Colocando dos cuerpos a distinta temperatura aislados térmicamente de la influencia de otros cuerpos, el más caliente se enfría y el más frío se calienta hasta alcanzar el equilibrio térmico, permaneciendo en ese estado. Decimos entonces que ambos cuerpos se encuentran en iguales estados térmicos.

Este resultado se conoce como principio cero de la termodinámica.

PRINCIPIO DE EQUIVALENCIA

La experiencia de Joule permitió comprobar que si un trabajo mecánico W se transforma adiabáticamente en calor Q, la relación W/Q = J es una constante universal que solo depende del sistema de unidades y se denomina equivalente mecánico del calor. De la relación anterior resuelta:

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.

PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA.

Llamamos pared adiabática a la que aísla térmicamente del exterior.

Trabajo adiabático es el realizado sobre un sistema que no gana ni pierde calor, es decir, el sistema está contenido entre paredes adiabática.

El trabajo adiabático depende solamente del estado inicial y final del sistema y lo expresamos como una función U llamada energía interna del sistema.

Si el sistema recorre un ciclo cerrado, vuelve al estado inicial, la ecuación anterior podemos expresarla:

Adoptamos una convención de signos:

Tomamos positivo al calor Q absorbido por el sistema y el positivo al trabajo W realizado por las fuerzas del medio exterior sobre el sistema.

Si el sistema pasa de un estado A a otro B, la variación de la energía interna del sistema será:

Que expresa el trabajo adiabático realizado sobre el sistema. Entonces:

Por lo antedicho el principio de conservación de la energía podemos expresarlo de las siguientes maneras:

• En todo sistema aislado la energía total del sistema permanece constante, por lo que para las diversas transformaciones de la energía, la suma total de ellas, en todas sus formas, permanece constante.

• En todo sistema al que se le entrega energía, incluyendo el calor absorbido o el trabajo realizado sobre el sistema, y que no cede energía al exterior, la energía entregada es igual a la variación de la energía interna en todas sus formas.

Cuando solamente intervienen calor y energía mecánica, el principio de conservación de la energía se conoce como primer principio de la termodinámica.

Por lo expuesto es imposible construir una máquina térmica que después de recorrer un ciclo cerrado produzca como único efecto la realización de un trabajo exterior. En otras palabras, no es posible el movimiento perpetuo.

Una máquina de este tipo se denomina móvil perpetuo de primera especie.

En el siguiente artículo hablaremos sobre el segundo principio de termodinámica, la irreversibilidad.

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