¿Qué pasa con la energía contenida en los materiales?

La energía contenida en los materiales, a nivel macroscópico, se desglosa en alguna de las siguientes formas: térmica, química o nuclear. Un material puede liberar o absorber algunos de estos tipos de energía cuando se le hace interactuar con otros materiales.

La energía liberada puede ser utilizada para realizar algún tipo de trabajo, como mover un vehículo, encender una lámpara, impulsar un cohete, producir corriente eléctrica y muchos otros tipos de trabajo. 

Debido a esto, se afirma que la energía de un cuerpo es su capacidad de efectuar un trabajo, o bien que la energía puede transformarse en trabajo.

A nivel fundamental, es decir, a escala molecular y atómica, la energía contenida en la materia es energía cinética, energía potencial y energía contenida en la masa de los constituyentes nucleares del átomo.

Energía térmica

La energía térmica es la expresión macroscópica de la energía cinética, o energía de  movimiento de los átomos que conforman un material.

Por ejemplo, en un gas, las moléculas pueden trasladarse en el interior del mismo, por lo cual tienen energía cinética traslacional. La suma de la energía cinética de todas las partículas que conforman un material es su energía térmica.

Esta energía se caracteriza a través de una cantidad macroscópica llamada temperatura, proporcional al valor promedio de la energía cinética de las partículas que conforman al material.

Cuando dos materiales están en contacto, se produce un tránsito de energía térmica del que tiene mayor temperatura hacia el de menor temperatura. Este fenómeno se explica a nivel microscópico como la transferencia de energía cinética de las partículas más rápidas a las más lentas.

A la energía térmica en tránsito, de dos materiales en contacto, se le llama calor.

El motor de vapor

Calentando el agua de una caldera de vapor, se transfiere energía térmica desde las llamas del carbón ardiente hacia el agua, produciendo así vapor de agua a alta temperatura y alta presión, debido a que la caldera es un recipiente prácticamente hermético.

La energía térmica es capaz de efectuar un trabajo mecánico. Por ejemplo, cuando el vapor caliente de la caldera se hace pasar hasta el cilindro con un pistón móvil, las partículas de vapor ejercen presión sobre el mismo, desplazándolo.

Si el pistón se acopla a una rueda mediante una biela, se hace girar la misma. Este es el principio de funcionamiento de las antiguas locomotoras de vapor, que usan la energía térmica del vapor de agua para mover la locomotora, la cual a su vez mueve a los vagones del tren. 

Energía química

Es la energía potencial almacenada en los enlaces atómicos que conforman las moléculas de un material. Su origen es electromagnético, principalmente por la interacción electrostática entre cargas.

Cuando estos enlaces o ataduras se rompen mediante una reacción química, la energía potencial liberada en cada molécula se convierte en energía cinética de sus constituyentes. De esta manera, las reacciones químicas exotérmicas liberan energía química para convertirla en energía térmica.

La combustión es una reacción química en la que una cierta sustancia, denominada combustible, se combina con el oxígeno, produciendo una rotura de enlaces y formando nuevos compuestos. En el proceso, se libera la energía potencial de cada enlace de las moléculas de combustible, haciendo que las moléculas resultantes adquieran energía cinética.

En conjunto, los productos de la combustión tienen más energía térmica que el combustible y el oxígeno que había antes de la combustión.

Motores de combustión interna y energía química

De nuevo, como los productos de la combustión tienen alta temperatura y alta presión,  pueden ser usados para mover los pistones de un motor de combustión interna. Y como resultado de la liberación de la energía química del combustible, el motor funciona para efectuar un trabajo, como poner en marcha un automóvil.

Baterías y energía química

Otro ejemplo de energía química son las baterías, en las que se liberan electrones gracias a reacciones químicas. Estos a su vez se mueven por un conductor externo y efectúan un trabajo, por ejemplo mover un motor eléctrico.

Todo indica que los automóviles del futuro serán eléctricos, pero en el fondo, la fuerza motriz se origina en la liberación de la energía química de enlace en las moléculas de los materiales de la batería.

Energía nuclear

Albert Einstein demostró que un trozo de material, por el solo hecho de poseer masa, aun si está en reposo, contiene una enorme cantidad de energía. Este hecho se manifiesta en una famosa ecuación:

Donde m es la masa, c la velocidad de la luz en el vacío y E la energía contenida en el trozo de material.

Se trata de una equivalencia entre masa y energía, por lo tanto, la masa de un material puede convertirse en energía y viceversa. Por ejemplo, al desintegrar por completo 1 g de materia, se produce una energía equivalente a:

E = 1g x (300.000 Km/s)² = 0,001 Kg x (3 x 10⁸ m/s)² = 9 x 10¹³ Joules = 20 kilotones.

Una energía equivalente a la que se libera en una explosión de veinte mil toneladas de TNT. Con esta cantidad de energía, en forma controlada, se podría impulsar a un portaaviones para dar la vuelta a la Tierra varias veces.

Asimismo se liberaría una enorme cantidad de energía en forma de radiación electromagnética, es decir, luz.

La masa de un material está contenida en un 99,99% en el núcleo de los átomos que conforman dicho material. La masa de un átomo es principalmente la energía potencial de la interacción nuclear fuerte que mantiene unidos en el núcleo a los protones y los neutrones.

Cuando se rompe este “enlace nuclear”, mediante el bombardeo de partículas energéticas o a través de la colisión de dos núcleos, se libera una gran cantidad de energía, por la pérdida de una pequeña fracción de masa en la reacción nuclear.

Fusión nuclear

Dentro de las estrellas como el Sol, ocurren reacciones nucleares de fusión. Allí, debido a las altas temperaturas, los núcleos atómicos de hidrógeno y deuterio están separados de los electrones y se mueven a altísimas velocidades. 

Por otra parte, a causa de las presiones colosales en el interior de las estrellas, los núcleos están muy cercanos unos de otros y la probabilidad de choque frontal entre dos núcleos de hidrógeno es bastante alta.

La altísima energía cinética de los núcleos en colisión vence la repulsión electrostática, logrando que los núcleos se acerquen tanto, que la fuerza nuclear fuerte de muy corto alcance actúe y los mantenga unidos, formando un núcleo mayor.

En este proceso de unión o fusión de dos núcleos de hidrógeno para formar uno núcleo de helio, se pierde parte de la masa. Esto significa que el núcleo de helio formado por fusión es más ligero que la suma de sus constituyentes originales.

Se debe a que una parte de la masa inicial se usó para la energía nuclear de enlace y otra fue liberada como energía cinética de los neutrones y fotones resultantes de la reacción. Por lo tanto, la energía liberada en la fusión nuclear proviene de la pérdida de masa en la reacción y su posterior conversión en energía.

Fisión nuclear

Así se denomina el proceso por el cual un núcleo pesado se divide en dos núcleos más livianos, a causa de una colisión de un neutrón incidente con alta velocidad.

En el proceso una pérdida de masa, ya que la suma de las masas de los núcleos resultantes es menor que la masa del núcleo original.

Esta masa perdida se transforma en energía cinética de los núcleos resultantes (energía termonuclear) y en radiación. Esta es la forma en que la bomba atómica y las centrales nucleares de uranio liberan la energía de la materia.