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ENERGIAS RENOVABLES EXTRAORDINARIO DE LA MATERIA DE INGENIERIA ENERGETICA

DR. DAVID FRANCO ALUMNO:GUTIERREZ ALFARO CARLOS Nº CTA .083546200 GENERACION 83—87 INGENIERIA MECANICA ELECTRICA FES ARAGON

OCTUBRE 2011

1.-INTRODUCCION 2.-DESARROLLO 3.-CONCLUSIONES 4.-BIBLIOGRAFIA

INTRODUCCION

EL AVANCE de la ciencia y la tecnología no necesariamente tiene un efecto positivo en la calidad de vida de los seres que habitamos en este planeta: a diario recibimos noticias sobre el efecto invernadero, la lluvia ácida, la contaminación causada por los motores de combustión interna, el retraso mental ocasionado en muchos niños por los altos niveles de plomo en su sangre y la destrucción de miles de vidas jóvenes a causa de las drogas, cada vez más poderosas y al mismo tiempo más accesibles porque su producción en gran escala ha ocasionado que su precio disminuya. Al acercarnos al inicio del siglo XXI, el desarrollo científico y tecnológico ha tomado un ritmo tan vertiginoso que, en ocasiones, parece amenazar el futuro de la misma sociedad que lo ha impulsado. Por lo anterior, cuando estamos a punto de iniciar un nuevo siglo, se considera que la ciencia debe enfocarse a alcanzar un mayor beneficio para la humanidad y para lograrlo deberían darse más recursos para impulsar la investigación en las siguientes áreas: 

Desarrollo industrial y tecnológico que no cause el deterioro del medio ambiente.



Divulgación de la ciencia para que los ciudadanos tengan un mejor nivel de conocimientos y puedan tomar mejores decisiones.



Mecanismos para regular el aumento de la población y lograr que todos los seres humanos cuenten con una alimentación balanceada y tengan acceso a los servicios de atención médica, educación, etcétera.



Uso racional y eficiente de la energía.

Respecto a este último punto, en los capítulos anteriores hemos visto cómo la electroquímica, la fotoelectroquímica, la energía solar y el uso del hidrógeno, representan oportunidades para que la humanidad cuente con una gran cantidad de energía "limpia", esto es, con muy bajo impacto en el medio ambiente. Por desgracia, el costo para crear nuevas tecnologías y mantener centros de investigación, así como la inercia de muchos años de consumir otros combustibles, han impedido que las fuentes limpias de energía se vuelvan de uso cotidiano. Todavía, la mayor parte de la humanidad obtiene la energía quemando recursos no renovables como el petróleo, o materiales como la leña, un recurso difícilmente recuperable, ya que la destrucción de los bosques es un proceso mucho más rápido que la reforestación. Como se mencionó en la introducción de este libro, la crisis de energéticos de la década de 1970 originó un gran auge en la investigación y desarrollo de nuevas fuentes de energía, sin embargo, este entusiasmo ha disminuido debido a que el precio de los combustibles fósiles sigue siendo relativamente bajo. No obstante, muchos expertos aseguran que si la humanidad no toma las precauciones necesarias, a principios del siglo XXI sufriremos una nueva crisis energética que será de mayor magnitud que la vivida hace 25 años. En el cuadro VI.1, que contiene datos obtenidos en 1996, observamos que en muchos países la combustión del petróleo, carbón y gas natural sigue contribuyendo en gran medida a la obtención de energía. Para reducir el consumo de combustibles será necesario incrementar el uso de energías renovables, como la biomasa, el viento y la energía solar. También será útil generar electricidad con base en plantas hidroeléctricas o geotérmicas. Respecto al uso de la energía nuclear; todavía no existe un acuerdo que permita establecer si los beneficios de usar esta energía justifican los riesgos que implica. En el cuadro VI.2 podemos observar que los pronósticos para el futuro cercano todavía indican que, a nivel mundial, continuará en gran escala el quemado de combustibles fósiles, y el uso de otras fuentes de energía aumentará en forma muy lenta:

Cuadro VI.2. Pronósticos del porcentaje de la energía total que provendrá de cada una de las fuentes indicadas a nivel mundial.

Combustibles sólidos Petróleo Gas Energía Nuclear Hidroelectricidad Solar, Geotérmica, Biomasa, etc.

2000 (porcentaje)

2010 (porcentaje)

30.3

30

41.2 23 2.52 2.86

40.1 24.7 2.13 2.85

0.081

0.13

DESARROLLO El Agua y Tú

El agua se presenta en la naturaleza de diferentes maneras. Cae como lluvia y forma arroyos, ríos, lagos y mares. También la vemos como nieve, granizo, hielo, nubes y neblina.

En la naturaleza, el agua se encuentra en tres estados:

La vemos en estado líquido cuando cae en forma de lluvia o por las cascadas, y cuando corre por los ríos, lagos y mares.

Cuando el agua se enfría mucho, se vuelve sólida. La conoces en forma de hielo, nieve o granizo.

Cuando se calienta mucho, el agua pasa al estado gaseoso y se evapora, formando las nubes y la neblina.

Dependemos de la lluvia para obtener el agua que nos hace falta.

Cada vez que llueve, una parte del agua se filtra en la tierra y otra parte forma lagos y ríos; el resto del agua corre hacia el mar. Cuando el sol cae sobre el agua, ésta se evapora, sube y forma nubes, y luego vuelve a la tierra en forma de lluvia, granizo o nieve. Este es el ciclo hidrológico que se repite siempre. Por eso la cantidad de agua que tiene el planeta es siempre la misma, no se gasta. Los bosques son parte importante del ciclo hidrológico, ya que retienen el agua de las lluvias y evitan la erosión de las tierras. Los árboles transforman el bióxido de carbono en oxígeno, retienen el polvo y las impurezas y disminuyen la velocidad del viento, previniendo así la erosión. Es responsabilidad de todos cuidar los árboles, ya que donde hay árboles hay agua. El agua se utiliza también para generar electricidad mediante plantas hidroeléctricas. El proceso es sencillo: cuando el agua cae con fuerza sobre una turbina, como la que ves en el dibujo, ésta gira y mueve un generador que produce electricidad, la cual viaja por cables hasta tu casa. Ahora, cuando enciendas un foco, recuerda que quizá esa electricidad se produjo gracias al agua.

Una actividad más que realiza el hombre con el agua es la acuacultura, que consiste en controlar la producción y el desarrollo de peces y plantas. Para ello se construyen depósitos de agua dulce y salada aprovechando los esteros, lagos y lagunas. Ahí se alimenta y se vigila el crecimiento de los peces, para que desarrollen sanos y fuertes. De esta manera podemos tener más y mejores alimentos.

En las ciudades se gasta mucha agua porque cada vez la usamos más en diversas actividades y porque hay mucha gente que la desperdicia. Ya viste cómo el agua sirve a nuestro cuerpo.

En el dibujo puedes observar algunas de la actividades en las que se usa agua en las ciudades.

Ilumina de azul la tubería que lleva el agua de la calle al tinaco, y del tinaco al baño. Pinta de negro la tubería que recoge el agua usada del baño y la lleva a la cañería que está debajo de la calle. En nuestras casas utilizamos mucha agua para muchas cosas. Es sorprendente saber que una familia de cinco personas gasta diariamente la cantidad de agua que te mostramos en los dibujos. En el campo hay lugares muy secos y otros que tienen agua. Algunas casas no tienen tuberías para que llegue el agua. Por eso la traen del río o la sacan del pozo. ¿Cuántos usos del agua ves en el dibujo? Si tomas el agua de un río o de un pozo, ¿sabes por qué es necesario hervirla antes de beberla?

Cuando el río suena... Cuentan que hace mucho tiempo hubo una asamblea para decidir cómo debería ser el río. Cada uno explicó como lo quería. —Para mí tendría que ser rápido y frío —dijo la trucha—. Sólo así puedo vivir a gusto. —¿Cómo lo haremos? —dijo la carpa. —Pues yo necesito que sea lento para poder depositar mis huevecillos sobre las plantas que viven en agua tibia. —No se preocupen —dijo el pato—, el río es muy largo y en su camino hacia el mar podemos hacer que corra rápido en algunos lugares y se estanque en otros. Yo me alimento de plantas y semillas que están en el fondo del río, y necesito que tenga pozas donde poder bucear. — Yo también, yo también —se oyó la voz grave del ajolote—. Porque me encanta meterme en el fondo lodoso y tibio, en donde juego con mis hijitos. La libélula se acercó cantando y zumbando. —¿De qué hablan? —preguntó. La tortuga levantó lentamente uno de sus párpados y le contestó: —A ti ¿cómo te gustaría que fuera el río? Porque yo necesito que haya peces con qué alimentarme.

La libélula puliéndose las alas, replicó con desprecio: —Hagan lo que quieran con el río, pues aunque yo tomo oxígeno del agua puedo hacerlo al vuelo aun en las corrientes más fuertes. Además, yo no me mojo ni me hundo en el agua, y soy de los insectos más veloces en el mundo. —¡Qué presumida! —dijo la grulla cenicienta—. Yo soy mucho más interesante y bella, por eso necesito que el río tenga claros esteros para poder disfrutar viendo mi imagen reflejada en el agua. El mapache dijo: —Como yo soy el más viejo y conocedor, y vivo comiendo pescados para mantener quieto a mi pobre estómago, les daré un consejo: un río debe serpentear, tener curvas y remolinos, correr lentamente por algunos lugares y rápido por otros; sus aguas deben entibiarse en los remansos y en las abruptas caídas; ser profundo a veces y otras bajito. Su fondo debe ser variado, con rocas, con arena y hasta con lodo. —¡Un momento! —dijo el niño agitando sus manos— ¿No hemos olvidado algo muy importante? —¿Qué? —exclamaron a coro los animales. —Que nadie eche a perder el agua del río para que todos podamos vivir mejor. Así, el río que hicieron entre todos fue tan variado en su largo camino, y con características

tan distintas en cada trecho, que permitió que cada animal encontrara lo que necesitaba para vivir. El agua refleja el color del cielo, nos refresca y nos divierte.

El agua es indispensable...

En México llueve sólo durante unos cuantos meses, pero nosotros necesitamos agua todos los días de año. Por eso la almacenamos en las presas, para usarla cuando no llueve. Una presa es una pared muy grande y gruesa que detiene el agua de un río y forma un lago. Construirla cuesta mucho tiempo y dinero. El agua que en ella se almacena evita las inundaciones, sirve para regar los campos, dar agua a las ciudades e industrias, generar electricidad y criar peces.

El agua es necesaria para cultivar la tierra y producir los alimentos que consumimos. También para dar de beber a los animales y para que crezcan pastos y forrajes frescos y jugosos, con los que se alimenta el ganado. Las tierras que se cultivan con el agua de las lluvias se llaman tierras de temporal.

Hay varias formas de regar. En la ilustración observamos cómo se hace el riego por gravedad y el riego por aspersión. Sin agua no podemos tener alimentos, las que se cultivan con el agua que proviene de las presas y pozos se llaman tierras de riego. El agua se conduce hasta ellas por medio de canales.

Las industrias necesitan también grandes cantidades de agua para producir ropa, acero, muebles, aparatos eléctricos y muchas cosas más. Para elaborar un litro de refresco se requieren trece litros y medio de agua, y para producir un kilogramo de papel se necesitan 115 litros de agua.

En la ilustración vemos cómo se fabrica el papel. Observa en qué actividades se utiliza el agua. Las industrias también necesitan para calentar, enfriar y limpiar las máquinas; para disolver y separar sustancias, y para eliminar desechos industriales.

Todos necesitamos del agua para vivir. Aunque no nos demos cuenta, se encuentra en los frutos, en la plantas, en los animales, en las rocas, en la tierra, en el aire y en casi todas las cosas que nos rodean. Tenemos muchas agua en nuestro cuerpo, y siempre está circulando dentro de él. Eliminamos agua en forma de sudor y orina. La sed nos avisa que necesitamos beber agua para reponer la que hemos perdido. Nuestro cuerpo también recibe agua de los alimentos que comemos.

Nuestro cuerpo utiliza agua para muchas cosas. Veamos algunos ejemplos: Tus ojos están protegidos por un líquido que tiene agua y que los limpia constantemente. Cuando lloras, el líquido se derrama en forma de lágrimas. Dentro de tu nariz hay humedad que detiene parte del polvo y de los microbios que están en el aire que respiras, para que tus pulmones no reciban tantas impurezas y no te enfermes. El cuerpo también elimina impurezas en forma de sudor. Además, el sudor ayuda a enfriar nuestro cuerpo cuando está muy caliente. El sudor es agua y sales disueltas que eliminamos por los poros de la piel. Como ves, nuestro cuerpo necesita del agua, y por eso debemos cuidarla. El agua también está en la saliva. Con ella la comida se hace una pasta que resbala mejor hacia el estómago. La sangre, que circula por todo nuestro cuerpo, tiene mucho agua. Entre otras funciones, la sangre hace la limpieza interior de nuestro cuerpo, pues al circular recoge las impurezas. Cuando llega a los riñones, que son los filtros del cuerpo, la sangre se purifica y las impurezas se eliminan en forma de orina. La orina es agua con impurezas.

En México, hay lugares, como en el Norte, donde el agua falta porque llueve poco, mientras que en otros, como el Golfo, la abundancia de lluvias provoca inundaciones. En el mapa encontrarás que donde hay más población hay menos agua, y por eso tenemos que cuidarla y no desperdiciarla, para que nos alcance a todos.

En la agricultura de riego es donde más agua se desperdicia. La fábricas son las que más contaminan el agua. Es muy difícil llevar el agua hasta las ciudades.Por eso es necesario conservarla y no contaminarla. Hay que hervir el agua antes de beberla para matar los microbios que causan enfermedades. Cierra la llave del agua después de usarla. Si gotea, dile a tus papás que la arreglen. Cuando te laves los dientes utiliza un vaso de agua en lugar de dejar la llave abierta. Al bañarte en regadera, hazlo con rapidez. Es mejor usar jabón que detergente, pues éste contamina. Cuando veas tuberías rotas, dile a tus papás que avisen enseguida a la Oficina de Aguas, para que las compongan. Como el excusado usa mucha agua, ésta se puede ahorrar si se coloca un objeto, como un ladrillo, en el fondo de su tanque. Recuérdale a tus papás que limpien el tinaco o depósito de agua de tu casa por lo menos cada seis meses.

Cuando salgas al campo no tires basura en los ríos, lagos y lagunas. Al lavar los platos sucios hay que emplear un recipiente con jabón y enjuagarlos en otro. Aprovecha el agua usada en otras cosas que no necesitan agua limpia. Por ejemplo, para regar plantas, lavar maquinaria, etc. Hay que cuidar los árboles. Donde hay árboles hay lluvia. Hay que plantar flores y arbustos porque adornan, purifican el aire y refrescan el ambiente. Si vives en el campo pon un recipiente para juntar agua de lluvia, con ella te puedes lavar. Hay que cuidar los bosques porque evitan que el agua arrastre la tierra fértil del suelo. No hay que tirar objetos en las alcantarillas porque tapan las tuberías. Hay que lavar los coches con cubeta, ya que con manguera se desperdicia mucha agua. Para tener limpios los patios y banquetas, basta rociarlos con agua usada y barrer.

EL PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Los estudios decisivos que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor fueron realizados en 1840 por James Joule en la Gran Bretaña. Tales estudios estuvieron inspirados en los trabajos que Rumford había llevado a cabo casi cincuenta años antes y que describimos en el capítulo anterior. En un trabajo intitulado EI equivalente mecánico de calor, que data de 1843 y que fue publicado en 1850, Joule presentó evidencia inequívoca justificando las conclusiones de Rumford. Al respecto escribió: Durante mucho tiempo ha sido una hipótesis favorita que el calor consiste de una fuerza o potencia perteneciente a los cuerpos, pero le fue reservado al conde Rumford llevar a cabo los primeros experimentos decididamente en favor de esta idea. El justamente famoso filósofo natural demostró por sus ingeniosos experimentos que la gran cantidad de calor excitada por la horadación de un canón no puede asociarse a un cambio que tiene lugar en la capacidad calorífica del metal, por lo tanto él concluye que el movimiento del taladro se transmite a las partículas del metal, produciéndose así el fenómeno del calor.

Hizo ver también que si en el experimento de Rumford (ver capítulo I) se supone que la rapidez con que se suministra el trabajo (potencia) es, como indica Rumford, de un caballo de fuerza se puede estimar que el trabajo requerido para elevar una libra (454 g) de agua, 1º F (18º C) es aproximadamente igual a 1 000 ft. lb (1 356 julios) lo cual no es muy diferente del valor obtenido en sus propios experimentos, 772 ft-lb (1 046 julios). El experimento de Joule fue una verdadera proeza de precisión y de ingenio considerando los medios de que se disponían en esa época. El aparato (ver Fig. 4) consistía esencialmente en un eje rotatorio dotado de una serie de paletas, de hecho ocho brazos revolventes, girando entre cuatro conjuntos de paletas estacionarias. El propósito de estas paletas era agitar el líquido que se colocaba en el espacio libre entre ellas. El eje se conectaba mediante un sistema de poleas y cuerdas muy finas a un par de masas de peso conocido. El experimento consistía en enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo. Al dejar caer las masas, el eje giraba lo cual a su vez generaba una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido contenido en el recipiente.

Figura 4. Aparato empleado por Joule en la medición del equivalente mecánico del calor. Las masas conocidas m se enrollan por medio de la manivela sobre el cilindro. La cuerda pasa por dos poleas P perfectamente bien engrasadas. La altura de las masas sobre el suelo es conocida, y la temperatura del agua se controla mediante el termómetro. Este proceso se repetía veinte veces y se medía la temperatura final del líquido agitado. Las paredes del recipiente que contenía el líquido eran herméticas y estaban fabricadas de una madera muy gruesa adecuadamente tratada para minimizar cualquier pérdida de calor por convección y por radiación. Después de una repetición muy cuidadosa de estos experimentos Joule concluyó lo siguiente: 1) La cantidad de calor producida por la fricción entre cuerpos, sean líquidos o sólidos siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado. 2) La cantidad de calor capaz de aumentar la temperatura de 1 libra de agua (pesada en el vacío y tomada a una temperatura entre 55º y 60º F) por 1.8º C (1º F) requiere para su evolución la acción de una fuerza mecánica representada por la caída de 772 lb (350.18 kg) por la distancia de l pie (30.48 cm). Entre 1845 y 1847 repitió estos experimentos usando agua, aceite de ballena y mercurio, obteniendo que por cada libra de estos compuestos, los equivalentes mecánicos eran respectivamente iguales a 781.5, 782.1 y 787.6 lb, respectivamente. De ahí concluyó lo siguiente: Estos resultados, coincidiendo entre sí tan estrechamente y con otros previamente obtenidos con fluidos elásticos y una máquina electromagnética, no dejaron duda en mi mente respecto a la existencia de una relación equivalente entre fuerza y trabajo.

Los resultados obtenidos por Joule son de hecho la base de lo que se conoce en la actualidad como la primera termostática. En efecto, lo que hacen ver es que aislados de su exterior, y a los que se suministra la misma cantidad de energía mecánica de maneras diferentes, el cambio observado en el sistema es el mismo. En el caso del experimento de Joule este cambio se registra por la variación de la temperatura del sistema. Sistemas aislados de su exterior, son aquellos que se encuentran encerrados en recipientes cuyas paredes impiden totalmente la interacción térmica con los alrededores; a estas paredes ideales se les llama paredes adiabáticas. Obsérvese que en estos experimentos el sistema no se mueve, su energía cinética es cero, ni se desplaza respecto al nivel del suelo, su energía potencial permanece constante y sin embargo ¡el sistema ha absorbido una cierta cantidad de energía! La clave de la respuesta a esta interrogante es que si creemos en el principio de la conservación de la energía, la energía suministrada debe convertirse en otro tipo de energía. A esta energía la llamamos la energía interna del sistema. Las experiencias de Joule sirvieron para extender esta observación a todo sistema termodinámico y postular que si a cualquier sistema aislado, esto es, que no intercambie ni calor ni masa con sus alrededores, le suministramos una cierta cantidad de energía mecánica W, ésta sólo provoca un incremento en la energía interna del sistema U, por una cantidad U de manera tal que: U = Wad

(1)

Esta igualdad, en donde el índice "ad" en W sólo sirve para puntualizar que la energía mecánica suministrada al sistema debe hacerse sólo cuando este se encuentre aislado de sus alrededores, constituye la definición de la energía interna U. La existencia de esta cantidad para cualquier sistema, es el postulado conocido como la primera ley de la termostática. Es importante insistir en que la ecuación (1) que ahora proponemos sea válida para cualquier sistema, agua, aceite, un metal, un gas, un trozo de imán, etc. constituye una extrapolación de los experimentos de Joule, quien la verificó, como hemos visto, sólo para unas cuantas substancias. Más aún, la hemos podido escribir invocando el principio de la conservación de la energía, que en esencia nos permite definir lo que entenderemos por U. Vale la pena aclarar que U es un símbolo que representa al cambio en la energía interna entre el estado inicial (e.g. el agua a 55º F en el experimento de Joule) que podemos llamar Ui y la energía interna en el estado final (e.g. el agua a la temp. final) que designaremos por Uf . Entonces, U  Uf — Ui. Por otra parte, hemos visto ya en el capítulo I que si el sistema sobre el cual estamos realizando nuestros experimentos está a una temperatura diferente que la del medio ambiente habrá una tendencia natural a establecerse un flujo de calor entre ambos. En pocas palabras si los experimentos de Joule u otros similares sobre otros sistemas se llevaran a cabo sin tomar la precaución de aislar el sistema de sus alrededores, observaríamos que: U —W 0

(2)

El ejemplo más simple al que el lector puede recurrir es el de calentar la misma masa de agua usada por Joule, pero poniéndola directamente al fuego hasta obtener la misma variación en la temperatura. Tomando las precauciones necesarias para que ni el volumen, ni la presión ni otra propiedad del agua cambien, debemos concluir que la misma energía W que produjo el cambio en U en los experimentos de Joule, fue ahora suministrada por el fuego, i.e, es una cantidad de calor Q. Y en el caso de que la energía mecánica sea suministrada en las condiciones que exhibe la ecuación (2), es claro que la energía faltante, según Carnot, debe tomarse en cuenta por las "pérdidas" de calor provocadas por el flujo de calor del cuerpo o sistemas al exterior. Combinando estos resultados podemos escribir que : U - W = Q (3)

esto es, la energía se conserva en todo proceso si se toma en cuenta el calor. Esta simple ecuación que no es otra cosa más que la expresión del principio de conservación de la energía para procesos termostáticos requiere de varios comentarios importantes que ponen de manifiesto, tanto su relevancia como su naturaleza misma. El primer comentario se refiere a la concepción de Q en la ecuación (3). Según las experiencias de Rumford y de Joule corresponde a una forma no mecánica de energía, precisamente aquella que se libera por fricción. De hecho, las propias experiencias de Joule muestran que la cantidad de calor Q definida en (3) sólo difiere por un factor numérico de la definición tradicional. Una caloría se define como la cantidad de calor requerido para elevar 1 g. de agua de 15.5º C a 16.5º C. Pero según Joule, esa cantidad de calor es equivalente a un trabajo mecánico de 4.187 julios en unidades MKS.2 Entonces, una caloría es igual a 4.187 julios y al factor de conversión de unas unidades a otras se conoce como el equivalente mecánico del calor, a menudo representado por J. Así,

J = 4.187 julios / caloría El segundo comentario concierne al origen de la ecuación (3). Para llegar a ella hemos invocado la validez universal del principio de conservación de la energía. Así pues esta ecuación sólo resume las experiencias de Rumford, Joule y Carnot. No es la primera ley de la termostática como suele afirmarse a menudo. Pero insistimos, para hablar de conservación de energía se requiere de una definición operativa de energía para cualquier sistema. Esta definición, dada por la ecuación (1) y que extiende las experiencias de Joule a cualquier sistema, es la primera ley de la termostática. El tercer comentario concierne a la naturaleza de los términos que aparecen en la ecuación (3). Por una parte, U corresponde, por definición, a una cantidad que no depende de la naturaleza del proceso usado para medirla. En este sentido tiene una jerarquía similar a otras variables como la presión p, el volumen V, la temperatura T, etc. Decimos entonces que es una variable capaz de describir el estado de un sistema o, simplemente, una variable de estado. Es pues una cantidad intrínseca a la naturaleza del sistema que se escoge para estudiarlo. Nótese que la definición (1) sólo nos permite medir diferencias de energía interna lo cual indica que análogamente al caso de la energía potencial en mecánica o el potencial electrostático, podemos escoger

arbitrariamente un punto de referencia, i.e, un estado arbitrario al cual podemos asignar un valor determinado a U y que puede ser cero. Los otros dos términos Q y W son de naturaleza totalmente diferente a U. Sólo intervienen en un sistema cuando lo llevamos por un proceso determinado en el cual puede realizar o recibir trabajo y absorber o ceder calor. Claramente los valores de Q y W dependerán del proceso en cuestión y por consiguiente ni uno ni otro es una variable de estado. Una analogía pedestre puede ayudar a comprender esta situación. En términos de una cuenta bancaria, la solvencia económica de una persona sólo puede determinarse por los fondos que tiene en ella, esto es, el dinero depositado en el banco. Esa cantidad describe o indica el estado financiero por lo que a sus fondos disponibles concierne, de esa persona. Cuando ocurre un proceso éste puede concebirse como al girar o depositar cheques bancarios y sacar o depositar dinero en efectivo. Al final del proceso el cambio en sus fondos será igual a la suma neta de las cantidades involucradas en el manejo de cheques y en efectivo. Estas dos juegan el papel de W y Q en tanto que el dinero en la cuenta es U. (Aquí el estado de referencia es obvio pues U = O corresponde a tener la cuenta en cero.) Así que, en pocas palabras, U es una variable de estado, Q y W sólo tienen sentido y aparecen en escena si ocurre un proceso. A menudo, aun después de todas estas consideraciones, es frecuente escuchar la pregunta: ¿ Y qué es el calor? La respuesta es ahora obvia: es una forma de energía que aparece en un proceso y cuyo origen no es mecánico. El frotamiento continuo entre dos cuerpos, como observó Rumford, genera "calor". Cierto es que para producir ese frotamiento requerimos de un agente externo, sea el esfuerzo muscular de quien los frota, el caballo que daba vueltas al taladro en el experimento de Rumford, etc. Pero la acción misma de frotamiento produce una energía que como mostró Carnot no puede convertirse íntegramente en trabajo útil. Sin embargo su inclusión en la descripción global de un proceso, en cuanto a un balance de energía concierne, es imprescindible para estar en concordancia con el principio de conservación de la energía. Calor es, pues, una forma de energía en tránsito. A pesar de esto es frecuente usar el término calor en modos que aparentan estar en contradicción con lo arriba expuesto. Decimos que el calor "fluye" de un cuerpo caliente a uno frío como si se tratara de un fluido. Esto es incorrecto y justamente lo que debemos descartar para entender correctamente la ecuación (3). Como en el caso del mechero discutido en conexión con los experimentos de Joule, U = Q representa el cambio en la energía interna del sistema formado por los dos (o más) cuerpos cuando por diferencias en las temperaturas entre ellos ocurre un intercambio de energía de naturaleza no mecánica. Antes de llevar a su final esta discusión sobre la conservación de la energía y la primera ley de la termostática conviene señalar que a pesar de sus brillantes experiencias y el hecho casi obvio de que la ecuación (3) estaba por detrás de todos sus resultados no fue Joule el primero en llegar a esta conclusión. La ecuación (3) fue en realidad producto del análisis más profundo que sobre las experiencias de Joule, Carnot y otros realizaron sir William Thomson, más tarde lord Kelvin, y Rudolf Clausius a principio de la

segunda mitad del siglo XIX. Pero todavía es más curioso que un año antes que Joule diera a conocer sus resultados en Inglaterra, un joven médico nativo de Heilbronn, Alemania. Julius Robert Mayer en 1842 sugirió una equivalencia general entre la conservación de todas las formas de energía. En su ensayo intitulado Comentarios sobre las energías de la naturaleza inorgánica usando lo que ahora llamamos "experimentos pensados" hizo ver que partiendo del principio que establece que una causa es igual a su efecto y considerando que las energías son causas capaces de asumir varias formas, las energías son entidades indestructibles e interconvertibles. A pesar de que el método de Mayer es enteramente diferente al de Joule, pues no tuvo la oportunidad de realizar experimentos, sus conclusiones son muy parecidas. Mayer hace notar que existen formas de energía en la naturaleza que no están asociadas necesariamente con el movimiento (energía cinética) ni con la elevación o descenso de un cuerpo (energía potencial) y plantea, con base en su primera proposición, el problema sobre otras formas que la energía puede asumir. Hace ver que, como el calor se puede generar por fricción, debe ser una forma de movimiento y por lo tanto equivalente a una energía cinética o potencial. Finalmente, se plantea la pregunta acerca de cómo calcular la cantidad de calor correspondiente a una cantidad dada de energía cinética o potencial (¡El equivalente mecánico del calor!). En este punto crucial, Mayer plantea un "experimento pensado" y esboza un cálculo mediante el cual muestra que J = 4 200 julios/Kcal, el cual considerando la imprecisión de un método, es muy razonable si lo comparamos con la ecuación (4). Sin embargo, su trabajo pasó desapercibido y no recibió crédito alguno en los 20 años subsecuentes. Para completar la lista de los distinguidos y notables investigadores que reclaman la paternidad del contenido físico de la ecuación (3) no podemos dejar de citar a H. von Helmholtz quien el 23 de julio de 1847 leyó ante la Sociedad de Física de Berlín un trabajo intitulado "La conservación de la fuerza". En este trabajo, de naturaleza estrictamente matemática, hace ver que la energía (fuerza en su trabajo) se conserva y que el calor es una forma de energía, una vez más, las proposiciones básicas detrás de la ya familiar ecuación (3). Es así como para 1847-1850, cuando las locomotoras recorrían grandes distancias, los ríos y lagos eran surcados por buques de vapor y la máquina de vapor era de uso común, apenas se establecían las bases teóricas de la equivalencia entre calor y trabajo mecánico, en tanto se desterraban los últimos resquicios de la teoría del calórico y se asentaba el concepto de "energía interna" como un postulado ahora llamado la primera ley de la termostática. Sin embargo subsistía sin responderse una segunda pregunta planteada por Sadi Carnot en 1824: ¿Qué fracción del calor cedido a una máquina térmica es aprovechable? Su respuesta condujo a los físicos de la época por el sendero de la segunda ley de la termostática y el todavía controvertido y escurridizo concepto de la entropía. NOTAS 2 El resultado de Joule para el agua es de aproximadamente 780 ft-1b para 1 lb (= 453.6 g de H2O) por 1º F = 1.8º C. Como un julio = 0.7376 ft-lb en el sistema MKS la energía mecánica es

. BOSQUEJO HISTÓRICO

HOY en día es común pensar que en el complejo proceso de creación, asimilación y aplicación del conocimiento científico, la tecnología es la última etapa que emana de la investigación científica. Si bien es cierto que existe una complicada interrelación entre la ciencia y la tecnología, al grado que es difícil pensar que ésta última sea ajena al quehacer científico, no siempre fue así. Cierto es que por ejemplo las comunicaciones, alámbricas e inalámbricas, surgen de la comprensión del comportamiento del campo electromagnético a través de los estudios de Faraday, Maxwell y Hertz en la segunda mitad del siglo pasado. Así, una tecnología emanó de los resultados de la investigación científica. Pero en el caso de los dispositivos que transforman energía y en particular energía térmica en trabajo mecánico, la situación fue completamente la opuesta. Estos últimos dispositivos, que ahora llamaremos máquinas térmicas se desarrollaron desde su forma más incipiente, en el siglo XVIII, hasta prácticamente la forma en que las conocemos hoy en día, lo que ocurrió ya hacia mediados del siglo XIX, sin que hubiese existido la menor comprensión sobre las causas teóricas, esto es, la explicación científica de su funcionamiento. Hagamos pues un poco de historia. La primera máquina térmica de que tenemos evidencia escrita fue descubierta por Hero de Alejandría ( ~ 130 a.C.) y llamada la aeolipila. Es una turbina de vapor primitiva que consiste de un globo hueco soportado por un pivote de manera que pueda girar alrededor de un par de muñones, uno de ellos hueco. Por dicho muñón se puede inyectar vapor de agua, el cual escapa del globo hacia el exterior por dos tubos doblados y orientados tangencialmente en direcciones opuestas y colocados en los extremos del diámetro perpendicular al eje del globo. Al ser expelido el vapor, el globo reacciona a esta fuerza y gira alrededor de su eje.

La Aeolipia de Herón de Alejandría.

En la misma obra de Hero se describe también el primer prototipo de una máquina de presión, que después fue motivo de varios estudios por Matthesuis en Alemania en l57l, de Caus en Francia en 1615 y en Italia por Ramelli en 1588, della Porta en 1601 y Branca en 1629. Posteriormente, en 1663, Edward Somerset, el segundo marqués de Worcester, en su obra Un siglo de invenciones describe un método para elevar un volumen de agua usando vapor. Su descripción es obscura y carece de dibujos; y subsiste la duda de si construyó o no la máquina. No fue sino hasta los años de 1698 a 1725 cuando la idea de Somerset fue puesta en práctica y utilizada para satisfacer diversas necesidades. En 1698 Thomas Savery obtuvo una patente para una máquina utilizada para elevar cantidades considerables de agua. Su funcionamiento consistía esencialmente en inyectar vapor a un recipiente lleno de agua hasta vaciar su contenido por un tubo vertical a través de una válvula de seguridad. Cuando el recipiente se vacía cesa el suministro de vapor y el vapor contenido se condensa por medio de un chorro de agua fría que cae sobre las paredes exteriores de dicho recipiente y que proviene de una cisterna colocada en su parte superior. Esto produce un vacío y permite que otro tubo, controlado por otra válvula de seguridad, aspire agua del pozo distribuidor a cualquiera que sea la fuente. Entre tanto, una operación paralela se lleva a cabo en otro recipiente semejante al primero. El vapor se suministra de un horno que consiste de una caldera principal que tiene una alimentación continua de agua caliente la cual proviene de otro horno que calienta agua fría por el fuego encendido en su hoguera. Los niveles de agua en las calderas se controlan por sendas válvulas de presión. Esta máquina, que puede considerarse como la primera máquina de vapor, encontró un uso considerable en la extracción de agua de las minas de carbón y en la distribución de agua para casas habitación y pequeñas comunidades. Esta máquina fue subsecuentemente modificada de diversas maneras, todas ellas destinadas a mejorar la cantidad de agua y la altura a que ésta podía elevarse, ya que estas características estaban limitadas por la presión que podían soportar las calderas. Ya en 1690 Denis Papin había sugerido que la condensación de vapor se debería usar para producir un vacío debajo de un pistón que previamente se había elevado por la acción del vapor. Ésta fue la primera versión de una máquina de vapor usando un cilindro y un pistón. En 1705 Thomas Newcomen y John Cawley, su asistente, mejoraron la operación del pistón al forzar su caída por acción de la presión atmosférica. Al hacerlo producía trabajo mecánico sobre una bomba que introducía el agua por bombear. Después de varios ajustes técnicos estas máquinas fueron producidas en gran tamaño y en serie por John Smeaton hasta que en 1770 fueron superadas por las innovaciones debidas a James Watt. (Figs. 1)

Figura 1a. Figura esquemática de una máquina o planta de vapor. El agua es bombeada a un calentador donde hierve y se evapora al aumentar la presión del cilindro para empujar al pistón hasta enfriarse a la temperatura y presión del condensador en el cual condensa y vuelve a ser bombeada para completar el ciclo.

Figura 1b. Diagrama simplificado de una locomotora de vapor mostrando el principio básico utilizado.

Figura 1c. Turbina de vapor. En 1763 este notable fabricante de instrumentos escocés, al reparar una de las máquinas de Newcomen se sorprendió de ver el enorme desperdicio de vapor que ocurría durante el proceso de calentamiento y enfriamiento del cilindro, dentro del cual operaba el pistón. El remedio, en sus propias palabras, consistiría en mantener al cilindro tan caliente como el vapor de entrada. Después de seis años sus experimentos lo llevaron a patentar, en 1769, una máquina que superaba a las de su antecesor por su mayor rapidez en la carrera del pistón y por ser mucho más económica en cuanto al consumo de combustible, sin embargo estaba reducida al bombeo y adolecía de otras limitaciones técnicas. La forma en que estas limitaciones fueron superadas queda fuera de contexto, pero vale la pena subrayar que el propio Watt en 1781 ideó la forma de usar la máquina para hacer girar un eje y por lo tanto, abrir sus aplicaciones a muchos otros usos además del bombeo. En manos de inventores notables como Trevitchik y Woolf en Inglaterra, Evans en los EUA , Cugnot en Francia y otros, esta máquina llegó a un estado de perfección tal que en 1829 George Stephenson fue el primero en adaptarla a una locomotora esencialmente en la misma forma usada por las más pesadas locomotoras actuales. También, en 1802 fue usada por vez primera por W. Symington para navegar el remolque Charlotte Dundas. Posteriormente, en 1807, el norteamericano Robert Fulton hizo navegar un barco en el río Hudson con máquinas de vapor diseñadas por Boulton y Watt. Entre esos años y las postrimerías del siglo pasado, con mejoras en el diseño y la construcción, la máquina de vapor se transformó en la máquina habitual para la navegación marina lográndose alcanzar presiones de vapor muy altas y velocidades de pistón considerables. Con la invención de la turbina de vapor la navegación marina adquirió su máximo grado de desarrollo, sólo superado posteriormente por el advenimiento de los combustibles nucleares. En la turbina de vapor, desarrollada por Parsons en 1884 y perfeccionada por Laval en 1889, la presión del vapor se utiliza para poner directamente al fluido en movimiento y no al pistón. En todo este proceso de invenciones e innovaciones los inventores difícilmente tuvieron una teoría, como la electromagnética en el caso de la radio, que les guiara en su camino. Los termómetros producto de la obra de

Gabriel Fahrenheit en 1717, eran reproducibles con un alto grado de precisión y surgieron de la necesidad de subsistir con un instrumento más preciso las sensaciones de frío y caliente que al tacto son difíciles de cuantificar. De hecho, mucho antes de su construcción, científicos como Leonardo da Vinci, Galileo y otros sabían que al contacto con un tercer cuerpo, usualmente el aire, dos o más cuerpos en contacto con él "se mezclaban de una manera apropiada" hasta alcanzar una misma "condición". De ahí la palabra temperatura que proviene del latín temperare que significa "mezclar apropiadamente" o templar. Pero para nadie era claro qué mecanismo estaba implícito en ese mezclado. En 1620, sir Francis Bacon en su célebre obra Novum Organum propuso un método para estudiar e interpretar la naturaleza y eligió la naturaleza del calor para ilustrarlo. El método consiste de tres pasos: el primero, listar todas las "instancias asociadas a la ‘naturaleza’" que se desea investigar; el segundo es una revisión crítica de la lista y el tercero un proceso de inducción para formular la interpretación fundamental del fenómeno. Aplicada al calor es ilustrativo, pues pone de relieve las ideas que al respecto prevalecían en ese entonces: la forma o verdadera definición de calor es como sigue: calor es un movimiento, expansivo, restringido y actuando en su contienda sobre las partículas más pequeñas de los cuerpos. Aunque se realizaron muchos esfuerzos para explicar los procesos que se pensaban ocurrían al experimentar con la ayuda de termómetros, fue Joseph Black un médico y químico escocés, quien a mediados del siglo XVIII aclaró la distinción entre calor y temperatura. En sus Lecciones sobre los elementos de la química, publicada póstumamente en 1803 y editada por su alumno y colega John Robison, Black distingue con toda precisión la diferencia entre calor y temperatura e introduce por primera vez los conceptos de calor específico y calor latente. De esta obra vale la pena citar al pie de la letra: Un avance en nuestro conocimiento sobre el calor, que puede lograrse mediante el uso de termómetros, es la noción mucho mas clara que hoy tenemos sobre la distribución del calor en cuerpos diferentes. Aun sin la ayuda de termómetros podemos percibir la tendencia del calor a difundirse de cualquier cuerpo caliente hacia otros más fríos en sus alrededores, hasta que el calor se distribuye entre ellos de una manera tal que ninguno es capaz de tomar más que los restantes. Así pues, el calor alcanza un estado de equilibrio. La naturaleza de este equilibrio no se comprendía bien hasta que discerní un método para investigarlo. Se han adoptado muchos puntos de vista al respecto, todos un tanto apresurados, como es imaginarse que en dicho equilibrio hay una misma cantidad de calor en cada volumen igual del espacio, independientemente de cómo se llene éste con cuerpos diferentes. Esto es confundir la cantidad de calor en diferentes cuerpos con su intensidad (temperaturas), aunque es claro que ambas cosas son diferentes.

En términos contemporáneos no sólo apunta Black al hecho de que calor y temperatura son dos conceptos estrictamente diferentes, sino que además apunta al bien conocido hecho de que los calores específicos de substancias diferentes, son diferentes. De sus experimentos al mezclar agua y mercurio a diferentes temperaturas iniciales cita: Se pone de manifiesto que la cantidad de calor requerida para hacer 2 volúmenes de agua más caliente, digamos por 25 grados, es suficiente para hacer a 3 volúmenes de mercurio más calientes por el mismo número de grados. Esto es, el mercurio tiene una menor capacidad para el calor1 (si se me permite usar la expresión) que el agua...

Sobre los calores latentes sus observaciones fueron no menos agudas. Citamos: "La opinión que me he formado de una observación minuciosa de los hechos y fenómenos es como sigue: Cuando el hielo u otra sustancia sólida se funde, soy de la opinión que recibe una cantidad de calor mayor que la perceptible a través del termómetro inmediatamente después de la fusión... Este calor debe agregarse para darle la forma de un líquido; cuando congelamos un líquido, este emite una gran cantidad de calor... En los procesos ordinarios de la congelación del agua, la extracción y surgimiento de calor latente, si se me permite usar el término, se lleva a cabo por etapas diminutas... que muchos pueden encontrarse difíciles de comprender..." Pero hasta el momento nada se ha dicho sobre la naturaleza misma del calor. En 1783 el famoso químico Henry Cavendish al referirse al frío generado por la fusión del hielo y el calor producido por la congelación de agua observó: Se me ha dicho que el Dr. Black explica estos fenómenos de la misma manera, sólo que en lugar de usar la expresión, calor se genera o produce, él habla de la liberación o emisión del calor latente. Sin embargo como esta expresión es una hipótesis que depende de la suposición de que el calor de los cuerpos es debido a su mayor o menor contenido de una substancia llamada la materia del calor, y compartiendo yo la opinión de sir Isaac Newton de que el calor consiste del movimiento interno de las partículas que forman los cuerpos, con mucho lo más probable, yo elijo usar la expresión, el calor es generado...

El texto de Cavendish no sólo arroja luz sobre las controversias existentes en aquella época acerca de la naturaleza del calor, sino que además exhibe claramente la idea que el gran Newton tenía sobre el calor, muy cercana a la interpretación moderna basada en la teoría molecular de la materia. ¿Y Black mismo? Aunque mucho se dice que él nunca sostuvo con convicción una

teoría específica sobre el calor , sus escritos muestran que estaba consciente de la polémica acerca de la naturaleza del calor. Dicha polémica originada desde el tiempo de los griegos y suscrita por Robert Boyle en su obra Ensayos sobre efluvios sugería que el calor era una substancia material que se comportaba como un fluido elástico, sutil, que llenaba todos los cuerpos y cuya densidad aumentaba con la temperatura. Este fluido se concebía como formado partículas que se repelen entre sí pero son atraídas a las partículas de materia ordinaria. Cada partícula de materia está entonces rodeada de una atmósfera de calórico de manera que dos partículas materiales se repelen entre sí a cortas distancias, aunque a distancias grandes la atmósfera se atenúa y predomina la fuerza atractiva de la gravedad; así existe un punto de equilibrio intermedio en el cual la fuerza neta es cero. Si la temperatura aumenta y se agrega fluido a la sustancia, el punto de equilibrio se desplaza hacia el exterior aumentando la distancia promedio entre las partículas y produciendo así una expansión del cuerpo. Bajo una compresión el fluido se comprime y aparece en la superficie como calor emitido. Esta teoría aunque opuesta al concepto de movimiento propuesto por Bacon y sostenido por Newton y otros filósofos ingleses, llegó a tener una aceptación general al grado que en 1787 el célebre químico Lavoisier y otros científicos franceses, al hacer una revisión de la terminología química, llamaron a este fluido el "calórico". Antes de volver a nuestra pregunta inicial acerca de la teoría inexistente sobre el funcionamiento de las máquinas térmicas conviene mencionar algunas anécdotas adicionales. De acuerdo con la teoría de Black cuando un cuerpo se licúa o se congela (solidifica) el calor latente emitido o absorbido resultaba de la combinación de una cantidad definida del calórico con cada partícula material de la sustancia en cuestión. Al concebir al calor como el calórico surgió de manera natural la pregunta acerca de como medir su peso. Esta cuestión fue abordada por Benjamin Thomson, más tarde el conde Rumford, en 1798 y en 1799 por el notable químico H. Davy. Después de una serie de experimentos que más tarde se reconocieron como una evidencia clara para desechar la existencia del calórico, concluyeron que el peso de dicho fluido nunca podría determinarse. En su época, estos experimentos no se estimaron como objeciones serias a la teoría del calórico porque sus ejecutantes, Davy y Rumford, no propusieron una teoría alternativa coherente; no explicaron cómo si el calor es movimiento de partículas (moléculas) puede transferirse de una substancia a otra. Por otra parte, el calor radiante se usaba en todas sus manifestaciones como un fuerte apoyo a la teoría del calórico: como el calor podía atravesar el vacío sin provocar ningún movimiento de materia, debía ser una substancia y no una propiedad de la materia. No obstante estas controversias, no existía evidencia conclusiva y contundente para descartar la teoría del calórico, hasta que a fines del siglo XVIII el conde Rumford, que fungía entonces como superintendente del arsenal de Münich, percibió una cantidad de calor muy considerable que se producía al horadar un cañón y el calor aún mas intenso de las astillas metálicas que se producían en dicha operación. Citando su propio texto publicado en 1798:

Cuanto más meditaba sobre estos fenómenos más me parecían curiosos e interesantes. Una investigación más exhaustiva sobre ellos parecería justo que arrojara un mayor entendimiento acerca de la naturaleza oculta del calor y permitirnos así formar juicios más certeros con respecto a la existencia o inexistencia de "un fluido ígneo"; un tema sobre el cual las opiniones de los filósofos de todas las épocas han estado muy divididas. ¿De dónde proviene todo el calor producido en las operaciones mecánicas arriba mencionadas?

Inspirado en estas ideas, Rumford decidió llevar a cabo varios experimentos para responder a estas cuestiones. Construyó un cilindro de bronce que pudiera ajustarse a un taladro de acero filoso. Este taladro se forzaba en contra de la parte inferior del cilindro y al cilindro se le hacía girar sobre su eje por medio de una máquina taladradora operada con caballos. En su experimento más espectacular todo el cilindro y el taladro se ponían dentro de una caja hermética llena con agua inicialmente a una temperatura normal (18º C) y la máquina se ponía en movimiento. El cilindro se hacia girar a 32 vueltas por minuto. Al poco tiempo de operar. Rumford percibió un calentamiento del cilindro y del agua. Citando. "Al cabo de una hora encontré, introduciendo un termómetro en el agua, que su temperatura había aumentado no menos de 9º C y al cabo de dos horas con 20 minutos era de 94º C, y a las dos horas y media ¡el agua hervía! Sería difícil describir la sorpresa y aturdimiento reflejado en el semblante de los espectadores al ver una cantidad de agua fría, calentarse y hervir, sin nunca haber encendido un fuego." De estos experimentos, Rumford concluyó que la fuente generada por la fricción es inagotable y señaló que cualquier cosa que uno o varios cuerpos puedan generar sin límite alguno no puede ser substancia material. Por consiguiente, de los experimentos realizados es difícil, si no imposible, identificar al calor generado con otra cosa que no sea el movimiento. Aunque el efecto de estos experimentos fue debilitar seriamente las bases en que se sustentaba la teoría del calórico, tuvieron que pasar otros cincuenta años antes de que estos puntos de vista fueran totalmente aceptados. La discusión anterior exhibe con cierto detalle el escenario en que evolucionó la tecnología de las máquinas térmicas, en la medida, como dijimos antes, de tener a la mano una teoría que guiara su desarrollo. En efecto, tal teoría, hasta 1840 no existió y la evolución de la tecnología fue casi empírica. La primera persona que planteó la interrogante esencial del problema, a saber, conocer el principio o los principios que rigen el funcionamiento de estas máquinas, fue el brillante ingeniero francés N. Sadi Carnot (17961832). En 1824 publicó su famosa memoria Reflexiones sobre la potencia motriz del calor y sobre las máquinas apropiadas para desarrollar esta potencia, en donde se dedicó a razonar sobre la pregunta general de cómo producir trabajo mecánico (potencia motriz) a partir de fuentes que producen calor. Citamos de su obra:

Todo el mundo sabe que el calor puede causar movimiento, que posee una gran fuerza motriz: las máquinas de vapor tan comunes en estos días son una prueba vívida y familiar de ello... El estudio de estas máquinas es de gran interés, su importancia es enorme y su uso aumenta cada día. Parecen destinadas a producir una gran revolución en el mundo civilizado... A pesar de estudios de todos los tipos dedicados a las máquinas de vapor y a pesar del estado tan satisfactorio que han alcanzado hoy en día, su teoría ha avanzado muy poco e intentos para mejorarlos están basados casi en el azar. A menudo se ha planteado la cuestión sobre si la potencia motriz del calor es limitada o infinita; el que si mejoras posibles a estas máquinas de vapor tienen un límite asignable, un límite que, en la naturaleza de las cosas, no pueda excederse por medio alguno, o si, por lo contrario, estas mejoras pueden extenderse indefinidamente. Para visualizar en su forma más general el principio de la producción de trabajo a partir del calor debemos pensar en ello independientemente de cualquier agente; debemos establecer argumentos aplicables no sólo a las máquinas de vapor sino a cualquiera que sea su forma de operar.

Es realmente a partir de estas ideas de las cuales surgió toda la teoría moderna de las máquinas térmicas y, como veremos más adelante, se llegó a la formulación del no siempre muy claro segundo principio de la termostática. Pero volvamos con Carnot para comprende mejor sus ideas concebidas todavía durante la época en que la teoría del calórico era, inclusive para él mismo, muy aceptada. El punto clave consiste en reconocer que una máquina térmica (o de vapor ) requiere de una diferencia de temperaturas para poder operar. Citamos: La producción de movimiento en una máquina de vapor va siempre acompañada por una circunstancia a la que debemos poner atención. Esta circunstancia es el re-establecimiento del equilibrio en el calórico, esto es, su flujo desde un cuerpo cuya temperatura es más o menos elevada a otro cuya temperatura es menor.

En otras palabras, cuando la máquina opera entre dos cuerpos y extrae de calor del más caliente, cede una cantidad de calor al cuerpo más frío hasta igualar las temperaturas de ambos, esto es, hasta restaurar el equilibrio térmico. Más aún, señala que cuando la restauración del equilibrio ocurre sin producir trabajo, éste debe considerarse como una pérdida real (Fig. 2). En el lenguaje más moderno diríamos que a diferencias de temperatura entre dos o más cuerpos tienden a desaparecer espontáneamente al fluir el calor de los más calientes a los más fríos sin producir trabajo útil.

Figura 2. Una máquina térmica extrae / Q2 / unidades de calor de una fuente a temperatura T2 y desecha una cantidad menor - / Q 1 / a la fuente fría. Ésta, usualmente el medio ambiente, se encuentra a una temperatura T1 menor que T2. Por la conservación de la energía, el trabajo neto realizado por la máquina, si ésta es ideal (no hay fricción) es - W = / Q2 / - / Q1 / De aquí entonces se le ocurre a Carnot pensar que una máquina térmica eficiente debe diseñarse de manera que no existan flujos de calor desaprovechables durante su operación. Para ello se le ocurre idear un proceso cíclico en el cual sólo aparecen la fuente térmica de la cual la máquina extrae calor para operar y la fuente fría a la cual se le suministra el calor no aprovechable. Citamos: Imaginemos un gas, aire atmosférico por ejemplo, encerrado en un recipiente cilíndrico abcd (ver figura 3) que tiene un pistón movible cd; además sean A y B dos cuerpos cada uno mantenido a una temperatura constante, la de A mayor que la de B; e imaginemos las siguientes operaciones:

1) Ponemos en contacto al cuerpo A con el aire encerrado en el espacio abcd a través de una de sus caras, ab digamos, que suponemos conduce calor fácilmente. A través de este contacto el aire alcanza la misma temperatura que la del cuerpo A; cd es la posición presente del pistón.

Figura 3. Diagrama de la Máquina de Carnot (según Carnot) 2) El pistón se eleva gradualmente hasta tomar la posición ef. Se mantiene el contacto con el cuerpo A y el aire, el cual por lo tanto se mantiene a una temperatura constante durante la expansión. El cuerpo A suministrará calor necesario para mantener dicha temperatura constante. 3) El cuerpo A se retira de manera que el aire no esté ya en contacto con cualquier cuerpo que pueda suministrar calor: el pistón, sin embargo, continúa moviéndose y pasa de la posición ef hasta la posición gh. El gas se expande sin recibir calor y su temperatura disminuye. Imaginemos que disminuye en esta forma hasta que alcanza un valor igual a la temperatura del cuerpo B. En este punto el pistón se para y ocupa la posición gh. 4) El aire se pone en contacto con el cuerpo B; se comprime por el regreso del pistón a medida que se mueve de la posición gh a la posición cd. No obstante, el aire se mantiene a una temperatura constante por su contacto con el cuerpo B al cual le cede su calor. 5) Se retira el cuerpo B y continuamos la compresión del aire el cual, ahora aislado, aumenta su temperatura. La compresión se continúa hasta que el aire alcance la temperatura del cuerpo A. Durante este proceso el pistón pasa de la posición cd a la posición ik. 6) El aire se pone de nuevo en contacto con el cuerpo A; el pistón regresa de la posición ik a la posición ef; la temperatura permanece constante. 7) La operación descrita en 3) 4,5,6,3,4,5,6,3,4,5,... y así sucesivamente.

se

repite

y

sucesivamente

Sobre este proceso cíclico Carnot hace ver que la substancia operante (el aire) realiza una cantidad de trabajo neta y además que este trabajo se produce de la manera más ventajosa posible. Los dos procesos 3 y 5 en que el aire está aislado cambian su temperatura sin remover o ceder calor. En

esta forma el aire siempre se pone a la temperatura deseada, la del cuerpo A y B respectivamente, antes de ponerlo en contacto con ellos; se elimina pues cualquier flujo de calor espurio entre cuerpos a diferentes temperaturas. También, hace notar que la secuencia de operaciones arriba descrita puede llevarse a cabo en el sentido opuesto, lo cual implica que al terminar el paso 6) se llevan a cabo las operaciones en el orden 5), 4), 3), 6), 5), 4), etc. En este caso el resultado es el de consumir una cierta cantidad de trabajo igual a la producida en el ciclo inicial y regresar todo el calor del cuerpo B al cuerpo A. Finalmente, Carnot demuestra que no puede concebirse una máquina térmica más eficiente operando entre dos temperaturas prescritas que la suya y anuncia una de sus proposiciones fundamentales: La fuerza motriz del calor es independiente de los agentes usados en producirla; su cantidad está determinada unívocamente por las temperaturas de los dos cuerpos entre los cuales ocurre, finalmente, el transporte del calórico.

Así se veían los procesos subyacentes a las máquinas térmicas, incluyendo las de vapor durante la tercera década del siglo XIX. El porqué no tuvo mayor impacto el trabajo de Carnot, que contiene el reconocimiento claro entre la equivalencia entre calor y trabajo así como la imposibilidad de construir una máquina de movimiento perpetuo, principio ahora conocido como la segunda ley de la termodinámica, fue debido a que sus colegas franceses lo ignoraron por completo. Sólo Emile Clapeyron, un colega de Carnot de la École Polytéchnique, publicó un escrito en 1834 mencionando su trabajo. Fue sólo en Alemania y en Inglaterra que sus ideas fueron apreciadas e incorporadas en la teoría moderna del calor, y fueron la fuente esencial de donde emanaron las leyes de la termostática.

.OTROS REQUERIMIENTOS DE ENERGÍA

YA VIMOS que la luz del Sol que llega a la superficie de la Tierra libera energía que es aprovechada por organismos equipados para retener la energía lumínica. En este sentido hay que mencionar que es probable que las algas unicelulares que aparecieron sobre la Tierra hace 2 500 millones de años sean las responsables de que hoy en día exista la vida tal como la conocemos; es decir, que la atmósfera terrestre tenga la composición que tiene, la cual permite que organismos incapaces de utilizar la energía luminosa vivan y se reproduzcan. Veamos con más detalle cómo es que unos organismos dependen de otros y de qué modo se transformó la atmósfera terrestre para que las distintas formas de vida que consumen oxígeno aparecieran. A mediados del decenio de los 50, dos paleontólogos estudiaron al microscopio rocas cuya edad era de aproximadamente 2 mil millones de años; para su sorpresa, encontraron formas microscópicas abundantes que se parecían mucho a lo que hoy en día son las bacterias, solamente que éstas eran bacterias fósiles; en la actualidad se sabe que tienen una edad de hasta 3 500 millones de años. Estas primitivas formas de vida se

encontraban en un ambiente tan hostil que es difícil entender cómo sobrevivieron en condiciones tan extremas. La atmósfera terrestre carecía entonces de la capa de ozono que hoy filtra de una manera muy conveniente los rayos o radiación ultravioleta que provienen del Sol, de tal forma que la atmósfera de la Tierra se debe haber parecido mucho a la atmósfera de Marte. La diferencia es que nuestro planeta se encuentra a una distancia del Sol menor que ese planeta, y la vida como hoy se conoce generó la capa de ozono que al presente nos protege de tan letal radiación. En esas condiciones ambientales se producía toda una variedad de compuestos orgánicos que resultaban de la radiación solar y que servían de alimento a esos diminutos organismos. Éstos se alimentaban de aminoácidos, azúcares y ácidos orgánicos; sin embargo, incluso estos pequeños organismos requieren de energía para crecer y reproducirse y la requieren en forma de ATP, ya que deben haber necesitado producir sus proteínas y ácidos nucleicos (DNA y RNA) a partir de las sustancias que se encontraban en el medio que las rodeaba. En este sentido se han hecho experimentos que simulan las condiciones que prevalecían en ese entonces y que han llevado a producir ATP en mezclas de gases simples y fosfato. Esto sugiere que las primeras células pudieron haber obtenido su energía en forma de ATP simplemente tomándolo del medio y que de esta misma forma obtenían otra serie de compuestos que proporcionan energía y que están relacionados con esta molécula. Sin embargo, esta situación no pudo durar mucho tiempo, ya que la población de células que poblaban la Tierra aumentó hasta un punto en que estos compuestos se agotaron y esos organismos se vieron forzados a desarrollar un mecanismo para obtener su energía. Hoy en día se piensa que éste pudo haber sido la fermentación. Hay que recordar que este proceso se lleva a cabo en ausencia de oxígeno y degrada moléculas grandes a pequeñas, conservando parte de la energía en forma de ATP. A partir de la aparición de la vida sobre la Tierra, nuestro planeta jamás volvió a ser el mismo; los pequeños microorganismos que la poblaron interactuaron intensamente con su superficie y con la atmósfera, de tal forma que los ciclos básicos de algunas sustancias fueron modificados. Un ejemplo de esto es la diferencia que existe entre la Tierra y dos de sus vecinos, Venus y Marte, que contienen en su atmósfera una alta concentración de bióxido de carbono (97%), mientras que la Tierra solamente contiene 0.03%; esta enorme reducción se debe en parte a que los microorganismos anaeróbicos, que abundaban hace más de 3 500 millones de años, lo removieron del aire. Los organismos también requirieron de ciertos elementos básicos como el hidrógeno, el carbono, el nitrógeno, el fósforo, el oxígeno y el azufre, todos ellos elementos que se hallaban dispersos en la tierra, el agua y la atmósfera por las constantes erupciones de volcanes que en esa época ocurrían. Así se desarrollaron varias formas de obtención de energía y que incluyen la fermentación, la reducción de sulfato y la fotosíntesis anaeróbica. Sin embargo, al paso del tiempo se comenzaron a agotar los agentes reductores, entre éstos el hidrógeno, que constantemente se escapaba al espacio. Esta escasez hizo que evolucionara una nueva especie de fotosíntesis que permitía a ciertos microorganismos obtener el hidrógeno a partir de moléculas de agua. Tal estrategia hace uso del agua, que es una fuente inagotable de hidrógeno, y por otra parte se origina oxígeno como producto de desecho. Así es como gradualmente el oxígeno se acumuló en el agua, la tierra, los sedimentos y la atmósfera, lo cual marcó el principio de la era aeróbica.

El oxígeno libre favoreció la síntesis abiótica de compuestos orgánicos; además se comenzó a formar la capa de ozono que se ha convertido en tema de actualidad, puesto que forma un escudo protector contra la nociva radiación ultravioleta que produce serias alteraciones, entre otras cosas en los ácidos nucleicos y por tanto en la herencia y, recientemente, se han detectado agujeros en ella. Así, los organismos anaeróbicos se vieron obligados a vivir permanentemente en sitios carentes de oxígeno en donde hasta la fecha se encuentran. Por otra parte, el oxígeno hizo posible un nuevo mecanismo para la obtención de energía que hoy conocemos como oxidativo o respiración, y que es, sin lugar a duda, mucho más eficiente, y permitió a las células crecer más grandes y elaboradas. Los primeros organismos productores de oxígeno por fotosíntesis fueron las cianobacterias, que se conocen como algas verde-azules, las cuales dominaron la superficie del planeta hace unos 2 500 millones de años. La cantidad de oxígeno atmosférico aumentó de tal manera que todos los organismos que poblaban la Tierra se vieron amenazados, inclusive las cianobacterias. De esta forma se inició una etapa nueva en la que organismos que no toleran el oxígeno tuvieron que migrar, o murieron, mientras que otros se adaptaron, con lo cual queremos decir que desarrollaron sistemas que les permitieron convivir con el oxígeno, el cual es altamente tóxico cuando se encuentra como radical libre. Otros organismos desarrollaron mecanismos diferentes, que consistieron en el aprovechamiento de este gas para degradarlo hasta Co2 y agua, compuestos con que se alimentan y así entraron a escena lo que hoy conocemos como organismos respiratorios. Es posible que los primeros organismos respiratorios hayan sido también cianobacterias que llevaban a cabo este proceso de respiración durante la noche, pues utilizan la misma maquinaria molecular para la fotosíntesis y para la respiración. Se estableció así la base para que aparecieran otros organismos que eran incapaces de aprovechar la luz del Sol, pero que utilizaban por ejemplo el oxígeno que apareció en la atmósfera y que les permitió ser más eficientes para obtener la energía necesaria a partir de los nutrientes. Con el tiempo evolucionaron, además de los organismos autótrofos o autosuficientes, los llamados heterótrofos, es decir, los que se alimentan de otros, y esto inició las cadenas alimenticias que actualmente conocemos (el pez grande se come al chico). Las cadenas alimenticias son frágiles y dependen directamenté de los organismos fotosintéticos que conservan la energía radiante del Sol; es por ello que si se rompiera este equilibrio, todos aquellos organismos que somos incapaces de utilizar la luz del Sol irremediablemente desapareceríamos de la faz de la Tierra. Esta dependencia hace que el costo energético necesario para mantener un organismo heterótrofo sea mucho mayor que para un autótrofo. Por ejemplo, para que una vaca llegue a la edad necesaria para que produzca leche se requiere que haya consumido una cantidad muy considerable de pastura así como de cuidados que procuren su bienestar; todo esto hace que el precio intrínseco de la leche sea muy alto y más aún el de su carne. El que nos comamos un buen pedazo de filete en realidad significa que nos comemos el equivalente de muchos kilos de pasto y muchas horas de atención que el animal requirió. Al comer alimentos vegetales consumimos un valor intrínseco mucho menor, ya que si bien los

vegetales también requieren de cuidados, éstos son sin duda mucho menos costosos que los que requiere una res, o un borrego, o cualquier otro animal para consumo. Esto no quiere decir que no debamos consumir carne, pero es necesario notar que una sociedad que basa su dieta en la carne gasta una cantidad enorme de energía que tuvo que ser captada por el pasto y metabolizada por la vaca, la cual finalmente la transformó en músculo. Quizá una dieta más dirigida al consumo de vegetales y productos derivados de la vaca aminore el problema energético que se plantea. Otra alternativa la da el mar, donde los peces se alimentan de plancton y de otros peces. El costo energético de la carne de pescado, o bien de los diferentes mariscos que del mar se obtienen, es mucho más bajo en términos de energía y quizá hasta en términos económicos. OTRAS NECESIDADES ENERGÉTICAS DE LOS HUMANOS Tomemos como ejemplo a un hombre común de un país desarrollado y analicemos la cantidad de energía que consume. Al despertar lo hará utilizando probablemente un despertador eléctrico; al darse un baño lo hará con agua caliente que proviene de un calentador ya sea eléctrico o de gas; para preparación de su desayuno consumirá otro tanto de energía; finalmente, para llegar a su trabajo, lo hará muy probablemente en su auto o utilizando algún medio de transporte. Se ha descrito un caso semejante, el de un trabajador alemán que en total en el proceso gasta 225 000 kilojoules de energía; pero el caso que se ha analizado es el del operario de una gigantesca máquina para extraer carbón mineral, y produce alrededor de 20 000 toneladas de carbón por día, las cuales a su vez van a producir unos 165 billones de joules/hora, de esta forma este individuo produce una cantidad de energía casi 500 000 veces mayor que su gasto total diariamente. Podemos comparar a este personaje con un agricultor de un país subdesarrollado que vive junto a su tierra de cultivo, que no requiere de un automóvil para transportarse, ni calienta el agua o la comida con gas, sino con estiércol. Remueve la tierra con un arado tirado por un buey y cosecha su siembra con ayuda de su familia; claro que la producción es pequeña y da apenas para su propio sustento. En términos de energía, produce 42 veces el valor de su propia fuerza muscular; consume poca energía pero produce muy poca en comparación con el ejemplo del país desarrollado. La pregunta que nos hacemos es la siguiente, ¿cuál de los dos casos es más eficiente y por tanto aprovecha mejor la energía consumida con respecto a la energía producida? Ciertamente, el operario de la máquina que extrae carbón es mucho más eficiente. Esto se debe a que la tecnología aplicada para este caso especifico permite incrementar la relación de energía invertida por energía producida; sin embargo, el caso del campesino, aparentemente menos costoso desde el punto de vista energético, produce una cantidad muy pequeña de energía. Por otra parte, si el campesino de nuestro ejemplo se auxiliara de equipo mecánico que le permitiera incrementar su eficiencia, muy probablemente su relación de energía producida por energía consumida se incrementaría notablemente, asi como sus condiciones de vida. El ideal se antoja más cerca del personaje del país industrializado, que del campesino del país subdesarrollado. Es entonces indispensable que en la planeación de los países se tomen en cuenta estos factores, que indudablemente representan

un gasto de cantidades enormes de energías que han de dedicarse al bienestar de los humanos y hasta de los animales. Energía Formas de energía Como fuentes primarias de energía se distinguen la recibida del sol, la del viento,la que se aprovecha de las caídas de agua, los desechos orgánicos, el carbón,el petróleo, la que se obtiene de las reacciones químicas, etc. Las formas de energía son aquellas que identifican la manera en que se manifiesta la energía,por ejemplo: solar, eólica, nuclear,hidráulica, mecánica, eléctrica, térmicay química. Existen fuentes de energía como el agua,el Sol y el viento que se encuentran en grandes cantidades y eventualmente pueden recuperarse y volver a utilizar, estas fuentes de energía se llaman renovables. Por otra parte, están aquellas fuentes de energía perecederas,como el carbón y el petróleo, que en algún momento tendrán que acabarse sin que puedan ser renovadas. Estos recursos se denominan no renovables.Costa Rica es un país privilegiado en cuanto a fuentes de energía, principalmente por sus recursos hídricos,siendo el primer productor de energía hidroeléctrica en Centro América.Adicionalmente, las tecnologías de energía renovable a pequeña escala, presentan una alternativa económica y ambiental factible para la provisión de energía a comunidades rurales remotas y para la expansión de la capacidad eléctrica instalada. El país cuenta con suficientes recursos para desarrollar sistemas hidráulicos, solares, eólicos y de biomasa,principalmente. Adicionalmente, estas tecnologías pueden disminuir la contaminación del medio ambiente causada por las emisiones de gases de los sistemas convencionales,que utilizan combustibles fósiles como el carbón y productos derivados del petróleo.Estos gases contribuyen al efecto invernadero y al calentamiento global de nuestro planeta. 1.2 Fuentes de Energía Renovables Energía Hidráulica: Las corrientes de agua, son la fuente de energía renovable más usada en el mundo para generar electricidad. La mayoría es producida con centrales de gran escala que utilizan presas y embalses grandes, los cuales almacenan Energía biomásica: El término biomasa se refiere a toda la materia orgánica que proviene de las plantas y desechos de animales que puede ser convertida en energía;como las provenientes de la agricultura (residuos de maíz, cascarilla café, bagazo de caña, granza de arroz, macadamia,etc.), del aserrío (podas, ramas,aserrín, cortezas) y de los residuos urbanos (aguas negras, basura orgánica y otros). Los avances tecnológicos han permitido el desarrollo de procesos más eficientes y limpios para la conversión de biomasa en energía; transformándola,por ejemplo, en combustibles líquidos o gaseosos, los cuáles son más convenientes y eficientes. 1.3 Fuentes de Energía No Renovables Es la energía proveniente de combustibles fósiles y nucleares. Aportan el mayor porcentaje para la producción de energía eléctrica mundial.Aproximadamente cuatro quintas partes del total de la energía usada en todo el mundo, deriva de los combustibles fósiles,y ellos también son los principales contribuyentes a los problemas ambientales y de salud a nivel local, regional y mundial.Los combustibles fósiles tienen muchas ventajas, la principal es su bajo costo y facilidad de transporte, pero también grandes desventajas en términos de contaminación y efectos ambientales.El Dióxido de Carbono (CO2), que se genera inevitablemente al quemar combustibles fósiles, es actualmente considerado como una de las fuentes que contribuyen mayoritariamente

al calentamiento global del planeta (efecto invernadero),el cual puede tener consecuencias desastrosas para ciertas regiones produciendo sequías e inundaciones. Petróleo Los países con gran producción no son muchos y gran parte de ellos poseen escasas posibilidades económicas y técnicas para sustituir el petróleo como fuente de energía, más bien,cuentan con él como una de las principal importantes cantidades de agua para regular la generación. Estas centrales tienen la capacidad de producir cantidades considerables de electricidad en forma constante durante ciertos períodos. Energía Eólica: La energía obtenida por el movimiento del aire se conoce como energía eólica.Es un tipo de energía cinética que hace funcionar los molinos de viento y la energía. 8

SISTEMAS EN CORRIENTE ALTERNA (AC) Consiste en sistemas que genera electricidad en corriente continua (en 12V ó 24V) y suministra electricidad a las cargas bien sea iluminación, bombas de agua, televisores, neveras,etc..., en corriente continua y/o en corriente alterna (es decir 220V y 50Hz). El diagrama básico es el que sigue:

El sistema anterior consiste en tres paneles fotovoltaicos, un regulador de carga, tres baterías y la carga (en este caso iluminación) en CC. Pero además, se incluye un inversor, que transforma los 12V en CC a 220V en AC, pudiendo así, usar los electrodomésticos normales y cualquier equipo eléctrico de una vivienda. Es un sistema ideal para viviendas aisladas de uso contínuo, viviendas normales que no está conectadas a la red eléctrica, industria

La tecnología LEd ha llegado a nuestro días conectada a la red eléctrica a 230V. Las ventajas de dicha tecnología son muchas, que enumeramo 

Con la tecnología LED se produce una menor disipación de calor . Esto es debido a que la incandescencia emite luz en todo el espe directamente, en la longitud de onda de color requerido, por lo que no existe la transformación de luz en calor.



Esta diferencia en la emisión de luz entre la incandescencia más el filtro y el diodo LED, hace que ésta sea más eficiente , ya que tod



La vida útil de la lámpara incandescente es de 6.000 h mientra que la del LED puede llegar a 100.000 h, es decir, 17 veces mayor .

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Altos niveles de flujo e intensidad dirigida.

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Significante tamaño para múltiples y diferentes opciones de diseño .

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Alta eficiencia, ahorro de energía .

CONCLUSION

La eficiencia Energética Eficiencia energética Se logra una mejora de la eficiencia energética, cuando se reduce el consumo de energía en la elaboración de las mismas unidades productivas (consumo de energía por unidad de producto), o cuando el consumo de energía es reducido sin afectar la cantidad producida o los niveles de confort que el sistema produce.

Importancia en elevar la eficiencia Energética A nivel Global los principales beneficios de la eficiencia energética son: La conservación de los recursos energéticos.La mejora de la seguridad energética La reducción de las importaciones de energéticos ,La reducción de costos utilizados para el desarrollo A nivel de empresa el incremento de la eficiencia energética se orienta a: Reducir las cuentas de energía Disminuir la contaminación Elevar la productividad Apoyar la gestión de mantenimiento Complementar los procesos de certificación ISO Incrementar la competitividad Elevar las utilidades

La Eficiencia Energética

20 La disminución de emisiones contaminantes y La contribución al desarrollo sustentable A nivel de país, los beneficios obtenidos de una mejora en la eficiencia energética son: La conservación de los recursos energéticos La mejora de la seguridad energética La reducción de las importaciones de energéticos La reducción de costos utilizados para el desarrollo A nivel de empresa el incremento de la eficiencia energética se orienta a: Reducir las cuentas de energía Disminuir la contaminación Elevar la productividad

Apoyar la gestión de mantenimiento Complementar los procesos de certificación ISO Incrementar la competitividad Elevar las utilidades 20

“Gerenciar” el recurso Energético 6.1 Administración de la energía en la industria o gestión energética. En la gestión industrial de nuestro medio,el enfoque que se le da a la energía se limita, por lo general, a obtener una“buena tarifa energética”; en algunos casos, a monitorear los cambios en la cuenta mensual y en otros, a controlar la variación del índice de consumo(consumo por unidad de producción) en el tiempo, o ha observar las oportunidades de cambios tecnológicos que puedan conducir a una disminución en el consumo energético, los que generalmente tienen sus causas en problemas de mantenimiento que afectan la producción.Es práctica común actuar sobre los consumos energéticos y no sobre la eficiencia energética, lo cual se explica porque es el consumo lo que se factura y lo que se paga. Sin embargo, este enfoque no está orientado sobre la causa del problema que deseamos resolver, por lo que en el deseo de reducir los costos de los energéticos, solo se actúa sobre sus efectos y en muchas ocasiones, este esfuerzo se manifiesta infructuoso, con resultados cíclicos de altas y bajas.Por el contrario, la administración de la energía o el “gerenciar la eficiencia energética” tiene como objetivo final, lograr la máxima reducción de los consumos energéticos, con la tecnología de producción actual de la compañía y posteriormente realizar los cambios a tecnologías eficientes en la medida de que estos sean rentables de acuerdo a las expectativas financieras de la empresa.Lograr este objetivo de forma continua y que sea sostenible en el largo plazo, requiere de

organizar un sistema de gestión, cambio de hábitos y cultura energética.

Elementos fundamentales para administrar la energía Una organización que demuestra un propósito activo de mejorar día a día, implica que ha desarrollado acciones en las cuales participa con recursos humanos y físicos, que conllevan a mejoras en áreas tan importantes como la protección del ambiente, la aplicación de normas de salud, calidad y sanidad ocupacional. En estas condiciones, el establecimiento de un programa permanente orientado al uso eficiente de los recursos energéticos, encuentra un terreno fértil, pudiéndose orientar hacia el logro de mejores metas y beneficiándose de la experiencia adquirida en la implementación de procesos exitosos y muy especialmente los de certificación ISO. Administrar la energía significa identificar dónde están las pérdidas energéticas del sistema que impactan los costos, determinar sus causas (si se deben a los procedimientos o a la tecnología),establecer y monitorear en tiempo real,indicadores de eficiencia ( que no es el índice de consumo) que permitan controlar y reducir las pérdidas asociadas a los procedimientos, evaluar técnica y económicamente los potenciales de reducción de las pérdidas atribuibles de un programa eficaz de ahorro o de eficiencia energética que sea sostenible en el largo plazo, no es cuestión de buena suerte ni se logra como consecuencia de una atención ligera, más bien, es el resultado del entendimientoentre el costo y el consumo de energía,creando una metodología de análisis bien desarrollada y mejor ejecutada,en concordancia con la realidad de la empresa y a las disponibilidades tecnológicas.Existen diversos factores, que en el orden práctico deberían impulsar a las empresas a actuar sobre la reducción de sus consumos energéticos. Los siguientes son factores de origen externo: La inestabilidad y el crecimiento de las tarifas de precios de energía La fuerza creciente de las legislaciones ambientales La reducción de los costos de lastecnologías eficientes A continuación se mencionan factoresde origen interno: La incorporación de la gestión ambiental a la imagen de la empresa

La necesidad de tener una mayor confiabilidad e independencia energética a nivel de la empresa La posibilidad de encontrar proyectos energéticos al interno de la empresa de mayor rentabilidad que la brindada por su negocio principal Lograr una mayor productividad que le permita tener ventaja con los competidores

Recomendaciones para lograr una verdadera gestión energética por medio de la Administración de la energía La complejidad y tamaño de la cartera de proyectos a nivel interno en una empresa puede convertirse en una barrera para el impulso de un proyecto de uso racional de la energía, que hasta ahora no era importante por sus consecuencias productivas y que se consideraba como un costo fijo a controlar dentro de sus niveles y no como una oportunidad rentable que atender. En efecto, la gestión en control de costos (donde no se incluye frecuentemente la energía), calidad, compras,productividad, mercadeo, salud ocupacional, seguridad, y nuevos proyectos de mejora de procesos, no deja espacio a una nueva prioridad y puede producir un conflicto.La solución a esta situación, es la creacióna nivel institucional de un Programa para el Uso Eficiente de la Energía, con el mismo compromiso y apoyo que la alta dirección le da al resto de los sistemas de gestión de la compañía. Este programa debería estar estructurado con base en el Ciclo de Deming de mejoramiento continuo: Planear, Hacer, Verificar y Actuar. Se Planean las responsabilidades del sistema, su estructura y organización, los Proyectos de Mejora, los consumos energéticos, sus metas y los documentos de control. Se Realizan las actividades de contratación y facturación de energía, de monitoreo y control de los indicadores de eficiencia, los proyectos de mejora, las actividades de entrenamiento al personal,las acciones correctivas y preventivas y las actividades de mantenimiento predictivo.Se Verifica la facturación de la energía, el sistema de monitoreo, la efectividad de las acciones correctivas y preventivas, la calidad de la medición, los

resultados de los proyectos de mejora y mediante auditoría interna, la efectividaddel sistema de gestión.Se Actúa mediante la continua aplicación de acciones correctivas y preventivas, así como la asignación de responsabilidades 22(1, ORIENTA); los resultados de dicho diagnóstico determinarán la acción a seguir (2. DECIDE), seguidamente se procede a implementar un plan de acción (3.ACTÚA). Con el fin de asegurarnos que se alcanzaron los resultados esperados, se monitorea el plan de acción puesto en práctica y se realizan los ajustes necesarios (4.MEJORA)

Impactos de la eficiencia

energética en la Gestión Empresarial En la figura 3 se describe el impacto que tiene un incremento de la eficiencia energética en la reducción de costos asociados a los diferentes aspectos de la organización, a saber: proceso productivo, impacto ambiental y consumode energía. Además de los impactos positivos mencionados,una implementación exitosa de un Programa de Uso Eficiente de Energía conlleva a un incremento en el nivel de madurez de la organización.

Estrategias para lograr administrar la energía Muchos problemas asociados con el uso de la energía son debidos a problemas de gestión y no de tecnología. Se deben a la estructura empleada por la gerencia para coordinar los esfuerzos en la reducción de los costos energéticos. Muchas de estas estructuras se basan en los métodos de la “administración por crisis” o “apaga incendios”, cuando se trata de la energía e incluso del mantenimiento. La tendencia ha sido depender de rápidos y temporales cambios de métodos o tecnologías.Los principales problemas de gestión que incrementan los costos energéticos de la empresa son:Falta de enfoque Falta de definición de un alcance con objetivos medibles Esfuerzos aislados Carencia de coordinación Falta de conocimiento en el tema de administracion Falta de conocimiento en el tema de Administración de la Energía Falta de procedimientos Falta de mecanismos de evaluación Dilución de responsabilidades Falta de compromiso Ausencia de herramientas de control.En consecuencia, la capacidad técnico organizativa de la empresa es baja y el tipo de administración de la energía que predomina es el modelo de “Administración por reacción”. La base para cualquier plan de gestión para los recursos que utiliza una empresa, es su misma estrategia organizacional.La empresa debe tener claro hacia dónde se dirige, su misión y visión, sus valores, objetivos y planes de acción. Además, esta estrategia no estaría completa si no se tiene un involucramiento y compromiso serio y responsable de toda la administración superior de la empresa, seguido de una capacitación a todo el personal. Es importante incorporar dentro de la cultura organizacional, el concepto de Mejoramiento Contínuo, tomando para ello el Ciclo de Deming de

Planear,Hacer, Verificar y Actuar.Todo lo anterior se tiene que tomar como base para el desarrollo de cualquier sistema de gestión y/o programa, ya sea Prevención de Riesgos Laborales, Calidad, Administración y Utilización de los Recursos Energéticos, Ambiente,etc., pues se requiere para cualquiera de ellas una aceptación y compromiso técnico y emocional de todos las personas que laboran en la empresa.Otros programas que pueden ser implementados en la empresa y que Programa 5 S: Base de cualquier programa, orientado a crear en el personal una conciencia de la importancia de tener un ambiente de trabajo limpio, ordenado y con las máquinas en buen estado. A este nivel, se pueden incorporar conceptos básicos de ahorro de energía, tales como: apagar luces que no estén necesitando, revisar que no existan fugas en tuberías, revisar las conexiones eléctricas, etc. Programas de Mantenimiento: identificación de equipos, máquinas, procesos, etc. que constituyen los sumideros más importantes, incorporar el monitoreo de índices de rendimiento energético, ejecuciones periódicas de auditorías energéticas, etc. Procesos de certificación ISO: seguir los lineamientos requeridos por ISO en lo referente al apoyo gerencial, control de documentación, desarrollo de políticas y procedimientos de administración de energía, etc. Una empresa que cuenta con una Estrategia Organizacional, deberá aplicar una serie de esfuerzos para poder alcanzar los resultados esperados de dicha estrategia. Estos esfuerzos se traducen en la ejecución de proyectos internos, los cuales unidos a otros sistemas ya existentes dentro de la Organización (sistemas de gestión), constituyen un marco ideal para incorporar un Programa de Uso Eficiente de Energía. En la Figura 4 se pueden observar los elementos en común (cuadros de mismo color) que tiene un Sistema de Gestión de Calidad ISO 9000 con un Programa de Ahorro de Energía, cuando éste se diseña con las herramientas y aplicando los requerimientos de dicho sistema. La implantación de un Sistema de Gestión de Calidad, permite conocer el detalle de los procesos de la empresa y sus características, lo cual facilita la inserción de la estrategia de administración y optimización de los recursos energéticos en dichos procesos. Si por el contrario, se tiene una empresa joven que no ha avanzado en el desarrollo organizado de otros sistemas de gestión (calidad, ambiental etc), un programa de uso racional de energía, además de rendir beneficios económicos inmediatos, abre el camino para que la organización en todos sus niveles aprenda a desarrollar acciones de optimización. El programa también llama la atención ante la realidad de que las acciones (que en general se inician con modestas inversiones de capital) se pagan

económicamente en el corto plazo e impulsan acciones consecutivas o paralelas que mejoran. Estrategias para lograr administrar la energía panorama económico y operacional de la empresa. A continuación se mencionan las principales actividades de la implementación de un Programa de Uso Eficiente de la Energía y su relación con el Sistema de Gestión de Calidad: Programar, Identificar y evaluar las oportunidades de reducción de costos de energía que tiene la empresa por mejora de los procedimientos de producción, mantenimiento y operación y por cambios tecnológicos. (“Monitoreo y Control de Consumos Energéticos”) Implementar los proyectos viables técnica y económicamente para la empresa en reducción de costos energéticos, en un orden de nula, baja, media y alta inversión.(“Cartera de Proyectos de Gestión Energética”) Evitar errores de procedimientos de producción, operación y mantenimiento que incrementen los consumos de energía. (“Control de Procesos”) Aplicar acciones de reducción de costos de energía con alto nivel de efectividad y con la posibilidad de evaluar su impacto en los indicadores de eficiencia de la empresa. (“Acciones Correctivas y Preventivas”) Establecer un sistema fiable de medición de la eficiencia en el uso de la energía a nivel de empresa, áreas y equipos, en tiempo real. (“Monitoreo y Control de Consumos Energéticos”) Establecer las herramientas de control, prevención y corrección requeridas para cumplir con las metas planeadas de reducción de costos y consumos. (“Monitoreo y Control de Consumos Energéticos”) Motivar, entrenar y cambiar los hábitos del personal involucrado en el uso de la energía hacia su utilización eficiente. (“Entrenamiento”) Planear los consumos energéticos y sus costos en función de las posibilidades reales de reducción en cada área y equipo clave. (“Planeación Energética”) Mejorar las estrategias de compra de energéticos y el control de la facturación de estos recursos. (“Gestión de Recursos del Sistema de Gestión de Calidad ISO 9000”) Reducir y controlar el impacto ambiental del uso de la energía. (“Sistema de Gestión Ambiental ISO 14000”) El objetivo final es que el Programa de Uso Eficiente de la Energía pueda ser incorporado como un elemento más dentro del Sistema Global de Gestión Empresarial: Sistema de Gestión de Calidad Sistema de Gestión Ambiental Programa de Uso Eficiente de La

Energía Sistema de Mantenimiento El mejor programa de ahorro de energía a largo plazo fracasaría si no cuenta con el respaldo de los empleados de la fábrica,desde su Gerente hasta el obrero más humilde, por lo tanto ahorrar energía debe ser parte de la cultura de la empresa tal y como lo es la seguridad industria

Los programas de ahorro de energía Cualquier gestión que pretenda administrar la energía en una empresa, debe comprender necesariamente los fundamentos primarios de la gestión administrativa, los que inician con un deseo o intensión clara (política empresarial) en el cumplimiento de algunos objetivos o metas y que toman forma o se concretan en la ejecución de un proyecto o programa de eficiencia energética, que debe seguir un proceso similar al presentado

La política energética. El inicio de un programa de cualquier índole dentro del quehacer empresarial,

tendrá un futuro incierto en el largo plazo, si no está sustentado sobre la definición clara de una política y bien definida por parte de la gerencia general de la empresa. Con el compromiso de la empresa sustentado en una política orientada al uso eficiente de la energía, se podrá asignar responsabilidades, funciones y tareas, caso contrario, lo que hoy sucede en las empresas es que nadie tiene la tarea de analizar y definir estrategias en el uso de la energía. En algunas empresas se han visto pasos positivos gracias a iniciativas particulares y que se mantienen el mismo tiempo que la persona en el puesto. El buen éxito de un plan de conservación o de ahorro de energía enmarcado dentro de un Programa de uso Eficiente de la Energía, dependerá de una adecuada organización que cuente con el apoyo decidido de la alta Gerencia.

La organización Actualmente en una gran cantidad de empresas existen comités o equipos de trabajo enfocados en: • Calidad • Gestión Ambiental • Salud Ocupacional y Seguridad Industrial •5S • Justo a Tiempo • Mejoramiento Continuo • Rescate interno de valores, etc.

Los programas de ahorro de energía Esto sin mencionar los comités de deportes, comités de eventos sociales, etc.

Aunque es posible crear a nivel organizacional toda una estructura que asuma la responsabilidad del desarrollo de un Programa de Uso Eficiente de la Energía, cabe también la posibilidad de aprovechar la organización interna existente e incorporar dentro de la misma la planeación, diseño e implantación del Programa de Ahorro de Energía; esto con el objetivo de no “saturar” aún más el organigrama organizacional. Lo ideal sería aprovechar un comité o equipo de trabajo que esté integrado por personal de las áreas de producción, mantenimiento y contabilidad de costos. Este grupo de trabajo conjuntamente con la gerencia, desarrollarán las políticas energéticas que darán el sustento al Programa de Uso Eficiente de la Energía en la empresa; además asignará las tareas adicionales involucrando a las instancias que mayormente consumen la energía (producción), comprometerá a Recursos Humanos para la capacitación y la promoción del programa bajo una estrategia en la que se involucren todos los empleados de la organización, no se debe cometer el error de dejar el programa en manos de una sola persona. El grupo de trabajo escogido ( calidad, reproceso, 5S, etc) para que administren los aspectos energéticos, deben establecer los aspectos propios de la gestión para la administración de la energía, a saber, las políticas energéticas, los objetivos y las metas a corto,mediano y largo plazo e incorporarlos dentro de las políticas y objetivos ya planteados en las otras áreas de interés (producción, calidad, gestión ambiental, etc.) Una tarea importante de la organización escogida, es la de demostrarle a la gerencia las justificaciones económicas de cualquier erogación tendiente a lograr un eficaz plan de administración de la energía. Los siguientes son elementos de un Programa de uso eficiente de la Energía, que deben ser atendidos si pretendemos una gestión exitosa y de largo plazo en la administración de la energía: Manual Ahorro de Energía: Registro de las definiciones bases del programa (política, objetivos, metas) los procedimientos, la estructura y las responsabilidades. Puede incorporarse como un apartado dentro del Manual de Calidad. Planeación Energética: Las nuevas herramientas de planeación del programa de ahorro pueden incorporarse dentro de la Planeación Estratégica de la Organización. Control de Procesos: Dentro de los procedimientos ya existentes de producción, calidad, proveedores, etc., se pueden incorporar los elementos

para el control de los consumos y los costos energéticos en las áreas y equipos claves de la empresa. Análisis de Cartera de Proyectos de Gestión Energética: Se establecen los proyectos rentables que serán ejecutados para el cumplimiento de los objetivos del sistema de gestión. El objetivo es que estas iniciativas de gestión energética, sean analizadas dentro del Portafolio general de proyectos internos de la organización. Los programas de ahorro de energía 35 Compra de energía: Incluye los procedimientos para la compra de energía y la evaluación de la facturación. Monitoreo y Control de consumos energéticos: Se establecen los procedimientos para la medición, establecimiento y análisis de indicadores de consumo, de eficiencia y de gestión dentro de Programa de Mantenimiento ya existente. Acciones Correctivas/Preventivas: Incluye los procedimientos para la identificación y aplicación de acciones para la mejora continua de la eficiencia energética y la mejora del Programa de Ahorro. Dichos procedimientos son los mismos que se desarrollan para un sistema de gestión ISO.

Entrenamiento: Definición clara de las necesidades de entrenamiento continuo al personal clave orientado a la reducción de los consumos y costos energéticos. Este tema debe incluirse dentro del Programa de Capacitación de la empresa. Control de documentos: Se aplican los mismos procedimientos y herramientas requeridos por los sistemas de gestión ISO. Divulgación y Promoción: Los aspectos importantes relacionados con los hábitos de uso de la energía. Otras tareas específicas que los responsables asignados por la organización deben desarrollar e incorporar en los Programas para el Uso Eficiente de la Energía, son las siguientes: Vigilar el uso que se le da a la energía en todos los departamentos productivos y otras áreas de la planta. Conducir auditorias energéticas con

su personal y/o asistir a las que se organicen con entidades externas a la empresa. Asegurarse de que todas las medidas factibles sean adoptadas por cada departamento donde sea necesario reducir el uso de energía. (control) Preparar el informe del uso eficiente de la energía a la gerencia y principales usuarios. Informar periódicamente a la gerencia y a todos los involucrados en el programa sobre los resultados obtenidos, gracias a las medidas de conservación puestas en práctica. Buscar que el personal se motive en el uso racional de la energía, invitándolos a que aporten nuevas ideas, tendientes a incrementar la eficiencia energética. Asegurarse de que haya constancia en el cumplimiento de las medidas implementadas. Asegurarse de que las nuevas construcciones, el nuevo equipo o las ampliaciones sean diseñadas bajo normas y especificaciones que conduzcan a ahorrar energía. Preparar documentación para presentar al MINAE tal y como lo indicala Ley Nº 7447 "Regulación del Uso Racional de la Energía". Los programas de ahorro de energía 36

La planeación Es claro que un programa de uso eficiente de la energía tiene dentro de sus objetivos fundamentales, el reducir los costos correspondientes al rubro por consumo de energéticos, haciendo un uso racional y eficiente de la energía. Para lograr esto, es fundamental una planeación eficaz, así como tener un adecuado conocimiento de la realidad energética de la empresa. El diseño de un buen programa implica la consideración de los siguientes aspectos: Antecedentes históricos: La organización de un buen programa de

energía debe iniciar trazando el curso desde el estado actual (diagnóstico) hasta el estado deseado, para ello se debe realizar una adecuada planificación, analizando costos y usos de los diferentes energéticos utilizados. Por tal razón es importante calcular índices de consumo de energía (¢ / Kw-hr ¢ / Kcal, etc.) estableciendo el consumo específico de energía que relaciona la cantidad de energía por unidad de producción o de materia prima (según sea lo conveniente). Inventario: Con el que se pretende saber la carga instalada (potencia máxima) y la capacidad productiva de la empresa, así como comprender el uso que se le da a la energía y así tener bases para cálculos futuros. Balance de energía: Con el balance energético se busca identificar los sumideros más importantes (máquinas, equipos, procesos, actividades, etc.) lo que permitirá definir prioridades de atención y análisis, pudiéndose implementar prioritariamente acciones en los procesos que generen mayor impacto en la facturación. Además, el balance tiene un valor agregado importante a la contabilidad de costos, ya que con él se podrá descargar la facturación como un costo directo a los diferentes procesos con una mayor precisión que los criterios contables tradicionalmente utilizados. Optimización: El balance de energía llevado hasta el detalle de los equipos que componen las diferentes etapas de los procesos productivos, nos permite identificar cuáles de ellos o qué equipos son de bajo costo y cuáles de alto consumo. Esta es una nueva variable en la función de optimización del proceso. Mejoras: Mejora de los procesos o equipos a través de acciones de mantenimiento y operación. Control: El objetivo es monitorear los cambios llevados a cabo. Proyectos de crecimiento: Aportarle a la ingeniería de desarrollo de la empresa, las alternativas tecnológicas que el mercado ofrece, considerando

dentro de la evaluación económica la variable energética en el escenario de vida útil del proyecto. No se debe caer en el análisis simple de menor inversión sin considerar los costos energéticos de operación y los de mantenimiento. Presupuesto: Proyección anual de las facturación energética mensual (energía eléctrica, diesel, bunker, LPG, etc.) para la determinación

BIBLIOGRAFIA 1.) -RED ESCOLAR SEP PROYECTOS COLABORATIVOS EXPERIMENTOS CON CIENCIA ILCE 2.)-LA GERENCIA DE LAS ENERGIAS EN LAS EMPRESAS ING.JUAN CARLOS CAMPOS AVELLA 2003 3.)- ADMINISTRACION DE LA ENERGIA EN LA INDUSTRIA ING.LUIS FERNADO CHANTO 2004 4.)-MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA EL USO EFICIENTE DE ENERGIA EN LA INDUSTRIA Y EL COMERCIO PUBLICACION DE SEPAFIN COMISION DE ENERGETICOS MEXICO 1977 5.)-INGENIERIA TERMODINAMICA ANTONIO MANRIQUE EDIT. CECSA 1981

6.)- FUNDAMENTOS DE TERMODINAMICA VANN WYLEN EDIT: CECSA 1982 7.- PRINCIPIOS DE TERMODINAMICA RODOLFO ALVARADO SANCHEZ APUNTES DEL IPN 1993.