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AMBIENTE DE APRENDIZAJE ENTORNO NATURAL Y TECNOLOGÍA

LOS CAMINOS DE LA ENERGIA

EN LA NATURALEZA Y EN LOS PROCESOS PRODUCTIVOS

AMPARO LOTERO BOTERO EDGAR ANDRADE LONDOÑO

AMBIENTES DE APRENDIZAJE

Alandra- Difuciencia

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Los Caminos de la Energía en la Naturaleza y en los Procesos Productivos Textos: AMPARO LOTERO BOTERO EDGAR ANDRADE LONDOÑO Ilustraciones: DIANA CAROLINA FRANCO SOTO Diseño gráfico: LUIS ALEJANDRO ANDRADE LOTERO Revisión científica de textos: EDGAR PODLESKY MORA 1ª Edición 2003 2ª Reimpresión 2016 ISBN: 958-33-5309-4 © AMPARO LOTERO BOTERO EDGAR ANDRADE LONDOÑO Ediciones DifucCiencia Impreso en Colombia P rin ted in C o lom b ia

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LOS CAMINOS DE LA ENERGIA

Las Historias de este Libro

UN LARGO CAMINO…

El recorrido del hombre desde las cavernas y la leña hasta las ciudades y la telemática, en un continuo y creciente aprovechamiento de la energía.

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NATURALEZA Y VIDA: MARAVILLOSO TEJIDO DE MATERIA Y ENERGIA

Nosotros, el aire, el agua, el suelo y todos los demás seres vivos formamos parte de un mismo tejido.

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VIAJE AL INTERIOR DEL AGUA

Conocer los secretos que guarda el agua, nos ayuda a comprender cómo funciona el universo.

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AGUA, COMBUSTIBLES, DEMONIOS, IMANES Y OTRAS COSAS

La energía que necesitamos está encerrada en los materiales que nos rodean, pero... no siempre es fácil obtenerla.

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¿POR QUÉ ES IMPORTANTE EL USO RACIONAL DE ENERGÍA?

Si se altera una parte del armonioso tejido de materia y energía de la naturaleza, se afecta todo el conjunto de medio ambiente y seres vivos.

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UN LARGO CAMINO...

ara comenzar esta historia acerca de la energía, vivamos otra historia: aquella que emprendemos al abrir este colorido libro e imaginamos ser parte de una animada excursión. Entonces, así imaginando, nos movemos en una embarcación que navega lejos, muy lejos, mar adentro. Estamos al lado de gente desconocida, adultos que hablan y hablan y niños que saltan y ríen. En cualquier momento, justo cuando pasamos cerca de una

isla desierta, nuestro barco encalla y todas nuestras pertenencias se empapan.¡Qué buena suerte! Debemos pasar allí la noche, sin más alimentos que unos pocos enlatados alcanzados a recuperar de una caja que flotaba en el agua.

Los muchachos nos lamentamos. ¡Qué extraño todo este ambiente!, como me gustaría ahora tomar chocolate caliente. Pero en estas condiciones, ¡hacer una hoguera se volvería todo un lío! ¡y mi ropa mojada! ¡Uf! y estos mosquitos que zumban y pican...Un buen ventilador los mantendría alejados.

De seguro nos buscarán en esta isla, pero ¿cuándo? Un teléfono lo agilizaría todo. Mientras tanto podría estar escuchando la 94.3 FM, o viendo un programa de televisión, ni siquiera una lámpara para leer. Qué diferente se está en la casa. Recuerdo mi casa en medio de calles iluminadas, repletas de casas y edificios, con teléfonos, televisores, buses, avisos encendidos...y aquí sin fogón, sin ventilador, sin teléfono, sin radio, sin televisor, sin lámpara, sin...

Un hombre de barba blanca, que había permanecido silencioso escuchando nuestras quejas, nos llama y, con la mayor calma del mundo, nos hace caer en la cuenta de que así vivieron los primeros seres humanos. Nos recuerda con mucha seriedad que si en estos días tenemos las condiciones para protegernos del frío, transportarnos y comunicarnos rápidamente y que, además, estamos rodeados de artefactos, empaques, materiales diferentes, formas, luces, colores y...basuras, ésto no ha sido siempre así. Todo lo que hoy nos rodea ha costado mucho, pero mucho

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trabajo a los hombres y mujeres de todo el mundo. Han sido miles de años de trabajo.

El hombre ahora nos pregunta, casi como un regaño:

― ¿Cómo vivieron los primeros seres humanos sobre este planeta cuando no tenían nada, así como estamos ahora nosotros en esta isla, ¿Ah?

―¡Cómo saberlo! Si ellos no se lo contaron a nadie, y para qué se lo iban a contar a alguién. Además, ni siquiera sabían escribir.

―Pues bien ― nos dice―, otros hombres que han vivido miles de años después lo han investigado. Han recogido muchas pistas y han logrado armar buena parte de esta historia. Lo primero que hay que pensar es ¿qué necesitaban los primeros seres humanos? Es fácil, alimentarse y protegerse de las condiciones del ambiente que les hacían daño,como el frío, el calor, los vientos, las lluvias...

―Bien. Los primeros hombres recolectaron frutos, cazaron animales y habitaron cavernas. Y cuando decimos hombres, recordemos que estamos hablando tanto de hombres como de mujeres ― enfatizó el que ahora hacía de maestro.

El hombre de barba blanca comienza a contarnos:

―La energía tiene mucho que ver aquí. Mucho, mucho.Pensemos nada más que estos hombres primitivos tenían que trabajar muy duro para alimentarse. No es cualquier cosa cazar animales de gran tamaño cuando se tienen sólo los brazos para éso. En esta brega, los hombres gastaban mucha energía, energía que luego recuperaban con el alimento. Porque para trabajar se necesita energía. Siempre que hay trabajo, actividad, movimiento, transformaciones, se necesita energía.

A los primeros hombres apenas les alcanzaba el tiempo para alimentarse y sobrevivir. Otra cosa fue cuando aprendieron a utilizar la

A todas éstas, ¿qué tiene que ver la energía

con esta historía?

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energía que está en la naturaleza, pero por fuera de sus músculos. ¡Esto sucedió cuando aprendieron a hacer fuego! Mucho hemos cavilado los hombres actuales imaginando como habrá sido ésto. Debió de ser grandioso, tanto así que los hombres primitivos le dedicaron al fuego rituales especiales.

Con la energía en forma de calor se protegieron del frío. La escritura pictórica que se ha encontrado en muchas cavernas es un testimonio de que nuestros antepasados aprovecharon también la lumbre que ofrecía el fuego.

Más luz y calor, más de lo que tenían en días soleados, el hombre comenzó a aprovechar la energía de la naturaleza. Ahora, la energía que estaba dentro de la madera se transformaba en luz y calor. Este fue el inicio de todas las transformaciones que hoy llamamos tecnología. Más adelante se entenderá por qué.

De acuerdo con lo que han podido averiguar los historiadores, el siguiente paso dado por los hombres de la antigüedad para mejorar sus condiciones de vida fue también grandioso. Ocurrió cuando descubrieron que ellos mismos podían sembrar y cultivar los frutos y pastos que antes recogían para alimentarse. Escogían terrenos favorables para la siembra, a la orilla de los ríos. El suelo fértil poseía muchos nutrientes cuya energía, junto con la del sol, se transformaba en abundantes cosechas.

Para saber más sobre el ciclo de la energía en la agricultura,

pase a "NATURALEZA Y VIDA: MARAVILLOSO TEJIDO DE MATERIA Y ENERGÍA”

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Nació la agricultura y entonces los hombres construyeron sus viviendas en lugares fijos. Bien alimentados y más seguros, empezaron a construirse un medio ambiente propio, diferente al que les brindaba la naturaleza.

Los hombres continuaron aprovechando la energía. Ahora se lanzaron a los mares, primero usando la energía de sus brazos para impulsar los remos y, luego, moviendo grandes embarcaciones con energía de los vientos que empujaba mantas extendidas hacia los cielos. Mientras tanto, ya habían aprendido a avivar el fuego para forjar y fundir metales.

También habían aprendido a reemplazar la fuerza de sus músculos por la fuerza de los animales. Bueyes araban la tierra y caballos movían a los hombres de un lugar a otro. Fue así como los hombres de un lugar se encontraron con los de otros. Empezaron a comunicarse cada vez más y a poblar regiones nuevas.

Durante esta época algunos hombres se dedicaron a escribir, a pintar y a pensar sobre nosotros los hombres y sobre los secretos de la naturaleza, pero además, a imaginar cómo habría sido la vida de sus antepasados. Por eso es que a partir de entonces ha sido menos complicado reconstruir la historia. Los hombres de esa época, con sus escritos y sus artes dejaron muchas pistas para entender cómo aprovechaban ellos la energía y cómo pensaban que era el mundo.

¿Qué paso más tarde con el trabajo de los hombres? ¿Con la

utilización de la energía?

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Hasta aquí los hombres habían fabricado lo que necesitaban para satisfacer sus necesidades por medio del trabajo de la familia: cultivaban la tierra, criaban animales, hilaban y hacían sus vestidos, construían sus viviendas llenándolas con objetos útiles y adornos que ayudaban a hacer la vida menos dura. El fuego que cocinaba los alimentos y daba calor y lumbre era el centro del hogar...y de la forja.

Pero luego, la elaboración de algunas cosas que se necesitaban pasó a manos de algunos hombres, llamados artesanos. Por ejemplo, la fabricación de telas, zapatos, vasijas, se organizó en sitios determinados llamados talleres. Más tarde, los hombres se organizaron de forma que cada uno hacía sólo una parte del objeto, para que rindiera más. El taller se convirtió en fábrica.

Desde esa época algunas personas comenzaron a hacer ganancias con la manufactura de objetos útiles. Entonces cada vez quisieron producirlos en mayores cantidades. En este afán a algunos se les ocurrió inventar también máquinas para fabricar objetos de uso más rápido de lo que podían hacerlo muchos hombres organizados.

Antes, los hombres ya habían creado algunas máquinas sencillas para otros fines, como por ejemplo, para remar, forjar, arar la tierra, hilar, sacar agua de los pozos y, desafortunadamente, armas para la guerra.

Ahora, para producir en grandes cantidades telas, zapatos y otros objetos útiles, combinaron varias de esas máquinas simples. Pero así como los hombres primitivos necesitaron de gran energía para realizar el arduo trabajo de la caza, así también estas grandes máquinas necesitaron de mucha energía para realizar su trabajo. A las nuevas máquinas ya no las movía el hombre con su energía, sino que ahora las movía el vapor de agua, mucho vapor de agua que salía de grandes calderas. El agua de las calderas se calentaba aprovechando la energía extraída del carbón.

Con esta poderosa máquina nació la industria, o sea la fabricación de objetos de uso con máquinas. Estas máquinas también se emplearon para

Para saber más sobre la energía contenida en el agua, pase a "VIAJE AL INTERIOR DEL AGUA"

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mover locomotoras que jalaban grandes vagones repletos de seres humanos y carga. El ferrocarril rodando por rieles tendidos a lo largo de extensas regiones cambiaba la vida de los lugares por donde pasaba.

Los hombres ahora se transportaban más rápido de un lugar a otro y podían comunicarse mejor. Hombres y libros iban y venían. Se difundían conocimientos y culturas.

Desde el hombre que se servía del fuego en el silencio de las cavernas, hasta este ir y venir de hombres y de cosas, en medio del bullicio de ciudades y puertos que reunían a personas de todas partes del mundo, toda esta actividad febril e incesante mostraba un creciente aprovechamiento de la energía.

En el tiempo que sigue, va a sucederse mayor movimiento, mayor velocidad en el transporte y las comunicaciones y mayor cantidad y variedad de objetos.

Resulta que a la leña, a la fuerza de los animales, al viento y al carbón se agregan ahora dos nuevas fuentes de energía. Primero, se trata del aprovechamiento de un fenómeno natural: la electricidad.

Segundo, se trata de la energía de plantas y animales que desde hace millones de años quedaron sepultados muchas capas por debajo del suelo

Para saber más acerca de la electricidad, pase a "AGUA, COMBUSTIBLES, DEMONIOS, IMANES Y OTRAS COSAS"

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que pisamos. Estas plantas y animales fosilizados se conocen con el nombre de petróleo.

El uso de la electricidad debió de ser un acontecimiento mucho más espectacular que el ajetreo de los ferrocarriles. Las casas y calles, antes alumbradas por débiles llamas de faroles y lámparas, de pronto se iluminaron. La luz eléctrica invadió los rincones oscuros y desterró a muchos fantasmas. El hombre ganaba en seguridad y cada vez llenaba de más y más cosas ese ambiente artificial que había empezado a construirse desde que saliera de las cavernas.

La energía eléctrica ha servido para mover gran número de artefactos que han hecho más fácil el trabajo en fábricas y hogares.

El petróleo también ha alterado mucho el paisaje natural. Pensemos nada más en cómo era todo antes de que hubiera plásticos. A partir del petróleo se han fabricado muchas sustancias y materiales diferentes a los que se encuentran en la naturaleza.

Con la electricidad y el petróleo se multiplicaron los medios con los que los hombres pueden transportarse y comunicarse.

Para funcionar con electricidad se inventaron el telégrafo, el teléfono, la radio, el televisor; y los automóviles, aviones y todas las demás máquinas que se mueven con sustancias derivadas del petróleo, como la gasolina. Además, se aumentó la producción de alimentos al suministrar a los suelos energía de abonos producidos también con petróleo.

Los diferentes pueblos cada vez se comunican más, y estas formas de emplear la energía se han generalizado en casi todas las culturas del mundo.

En los países de gran desarrollo de la industria, sobre todo en algunos de Europa, se emplea además la energía nuclear. Esta se genera a partir de reacciones en las que se desintegran átomos pesados, por ejemplo, de uranio. Aquí una pequeñísima cantidad de materia se transforma en una enorme cantidad de energía.

Para saber más acerca de la energía nuclear, pase a "AGUA, COMBUSTIBLES, DEMONIOS, IMANES Y OTRAS COSAS"

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Hasta mediados de este siglo el transporte y las comunicaciones ya iban bastante rápido. A partir de esta época se generaliza el empleo de energía electromagnética en aparatos electrónicos.

― Y como pueden darse cuenta muchachos ― dice el hombre de barba hablando en un tono más alto --, este cuento acaba de llegar al presente, a nuestra época, ahora cuando nos encontramos en esta isla repasando la historia de cómo la humanidad ha trabajado y creado cultura aprovechando la energía. Y aquí estamos nosotros, ateridos de frío, sin una hoguera o algo caliente para beber.

― No importa ― repondemos, acercándonos unos contra otros, para acomodarnos en medio del frío. El hombre de barba continúa narrándonos esta gran aventura de la humanidad, cuando hemos llegado a la aventura de nuestro presente.

Lo novedoso en estos días es la energía electromagnética. Con ella, la velocidad en las comunicaciones es aún mayor. Se han creado complejas redes de trasmisión que permiten conectarse con cualquier lugar del mundo en fracciones de segundo. La radio y la televisión son señales electromagnéticas que toman la forma de luz y sonido.

La palabra informática hace referencia a la gran cantidad de información que puede transmitirse rápidamente por medio de señales electromagnéticas, que son en esencia transformaciones de la energía.

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El aprovechamiento de la energía electromagnética para mover información, almacenarla y procesarla se realiza por medio de complejas redes que combinan principalmente satélites y sistemas de computadoras.

La utilización de la energía electromagnética ha permitido aumentar la eficiencia, o sea, aprovechar mejor la energía para el trabajo sin que una gran cantidad de ésta se pierda como calor. Al conducir energía eléctrica a través de hilos de cobre, los que mejor la transmiten, una parte de ella se transforma en calor, sin que pueda ser aprovechada.

Materiales especiales, conocidos como semiconductores, han permitido mejorar la eficiencia de muchos aparatos que antes usaban tubos, por ejemplo, el radio, el televisor y el computador. Ahora éstos aparatos se pueden fabricar en tamaños más pequeños y con más potencia que antes, pero generando menos calor.

El narrador de barba continúa con voz de quien dice algo muy importante: como vemos, a lo largo de la historia, los hombres hemos aprendido a emplear las diversas fuentes de energía que brinda la naturaleza, pero, además, hemos aprendido varias maneras de servirnos de ella cada vez con mayor eficiencia para el trabajo.

Cuando se aprovecha mejor la energía de una fuente, se dice que hay mayor eficiencia en los procesos de aprovechamiento de energía. Pero el problema no es solamente la energía que se trasforma en calor y que no puede ser aprovechada. Se trata también de los inconvenientes que resultan de emplear algunas formas de energía. Desequilibrios ambientales y ciertos desechos de los procesos de su utilización. Esto es algo que podrá comprenderse mejor si llevamos nuestro pensamiento a pensar en las imágenes de los ciclos por los que circula la energía en la materia viviente y en la no viviente.

Para saber más acerca de la energía electromagnética, pase a "AGUA, COMBUSTIBLES, DEMONIOS Y OTRAS COSAS"

Para saber más acerca de eficiencia, pase a "VIAJE AL INTERIOR DEL AGUA"

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Desde las cavernas hasta hoy, los seres humanos hemos descubierto muchas formas de hacer menos arduo el trabajo. Hoy se producen miles de toneladas de productos agrícolas con técnicas modernas de agricultura que emplean fertilizantes y maquinaria. Las necesidades de abrigo y vivienda se satisfacen transformando materiales naturales para crear otros nuevos, como los fabricados a partir del petróleo. Es posible la movilización entre grandes distancias y la comunicación a muchos lugares del mundo, en un tiempo muy corto.

En todos estos procesos, los hombres hemos creado un ambiente muy diferente al que nos ofrecía la naturaleza, lleno de máquinas, objetos, artefactos para satisfacer desde necesidades básicas hasta necesidades artificiales.

― Miremos a nuestro alrededor ― dice el narrador de barba que no mira hacia los lados sino que se queda pensando ― ¡No éste muchachos! Recordemos el lugar en el que vivíamos antes de embarcarnos en este viaje. ¡Qué cantidad de cosas artificiales y, también, qué cantidad de desechos y basuras! En esta historia el hombre ha dejado tras de sí una gran cantidad de desechos y basuras. Algunos de estos sobrantes podrán integrarse rápidamente a los ciclos naturales, bióticos o abióticos. Otros no podrán hacerlo sino después de mucho tiempo, pues se trata de materiales artificiales que no tienen cómo empatar con los ciclos naturales.

Además de los residuos sólidos, han salido hacia la atmósfera sustancias

formadas en la combustión del carbón y del petróleo, que causan alteraciones en el ambiente natural. Estas afectan y dañan a las poblaciones de organismos vivos.

Algunas de estas alteraciones se localizan sólo en determinados sitios, pero otras, como la quema de combustibles fósiles, afectan el equilibrio de todo el planeta.

Si quiere saber más acerca de los ciclos de la energía, pase a "NATURALEZA Y VIDA: MARAVILLOSO TEJIDO DE MATERIA Y ENERGÍA.”

Para saber más acerca de por qué siempre hay desechos, pase a "AGUA, COMBUSTIBLES, DEMONIOS, IMANES Y OTRAS COSAS"

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Ha sido un largo camino, desde que la humanidad comenzara a utilizar el fuego de incendios producidos por rayos o erupciones volcánicas, cuidando las brasas encendidas con las que podía prender una hoguera para sus modestas necesidades de calor y cocina, hasta hoy, cuando estamos intentando imitar el trabajo de las estrellas para satisfacer nuestras crecientes necesidades de energía.

En el intermedio, muchos productos no buscados, residuos como el calor que no podemos aprovechar, humos, cenizas y desechos radiactivos (prueba de que los aparatos que nos proveen de energía no son todavía muy eficientes), han sido volcados en nuestro medio ambiente. Estos sobrantes están alterando los ciclos que generaron y que soportan la vida en nuestro planeta.

Uno de los grandes nuevos interrogantes que se abren ante nosotros es, si tendremos la sabiduría necesaria para sobrevivir al lado de las demás especies que cohabitan con nosotros la Tierra. Es decir, si podremos producir, vivir con calidad, tratar de ser felices, pero con racionalidad.

Sin embargo, ésto no será posible sin conocer más a fondo los ciclos de la

energía, sin entender cómo podríamos utilizarla racionalmente.

Para saber más acerca del trabajo de las estrellas, pase a "AGUA, COMBUSTIBLES, DEMONIOS, IMANES Y OTRAS COSAS"

Para saber más, ver "Uso Racional de Energía"

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NATURALEZA Y VIDA:

MARAVILLOSO TEJIDO DE MATERIA Y

ENERGÍA

espués de todo no la hemos pasado tan mal en esta isla. Lo único feo de la historia contada por el hombre de barba blanca es que acaba revuelta con basura.

― ¡Oh no! Por fortuna la historia no termina aquí ― dice apresuradamente el simpático narrador de barba ―. Aún falta mucho. Sobre todo algo que ustedes deben

saber. De manera que sigamos:

En el transcurrir de la historia los seres humanos hemos ido conociendo a la naturaleza cada vez más, y este conocimiento nos ha permitido un mejor aprovechamiento de la energía. Pero eso no es todo. El conocimiento de la naturaleza también nos ha hecho saber que algunas formas de emplear la energía están creando muchos problemas en el medio ambiente y que cada uno de nosotros hace parte de esos problemas.

¿Cada uno de nosotros?, ¿Todos? Mejor dicho, ¿ qué tenemos que ver con eso? Estamos muy jóvenes como para andar metidos en problemas que no hemos buscado.

― Ocurre que hacemos parte del ambiente que nos rodea ― añade el hombre ― . Estamos unidos a él. Así pues, querámoslo o no, somos parte del problema.

―¡Otra vez! ¿Por qué nosotros? No sabemos por qué nos quieren involucrar.

Ya vamos a saber por qué todos estamos involucrados, queriéndolo o no. El hombre de barba comienza su explicación:

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―Sucede que cada uno de nosotros forma parte de un tejido inmenso y maravilloso que se llama universo. Como en cualquier tejido, cada puntada está unida a las demás.

Deberíamos comprender el lugar de los hombres en este tejido. Por lo que se sabe hasta ahora, el lugar de los hombres en el tejido del universo es muy importante.

―¿De qué está formado este tejido? ― preguntamos.

― ¡Aja!, aquí comenzamos otra historia ― responde el amigo de barba― Invito a los que quieran adentrarse conmigo en esta nueva aventura, conocida con el nombre de ciencia, a seguirme, que cuando la concluyamos ya no seremos los mismos. Seremos hombres con más entendimiento.

Entonces todos los niños quedamos atentos escuchando.

―A grandes rasgos la historia es como sigue:

―¡Ah! pero antes, retomemos aquí la pregunta que se nos quedó arriba:

―¿De qué está formado el tejido del universo?

―Todo el universo está formado de materia y energía. Materia y energía en constante movimiento.

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Nosotros nos hallamos en una pequeña porción del universo, en la galaxia llamada Vía Láctea.

Al igual que el resto del universo, nuestro planeta Tierra está compuesto por materia y energía en constante movimiento.

Miremos entonces que todo lo que nos rodea es materia y energía. El suelo en el que estamos posados ahora, el aire que respiramos, las piedras, el mar, los pájaros ..., nosotros mismos.

Ha llegado a saberse que la cantidad de materia y energía del universo es constante, no cambia. Nuestro planeta, como parte que es del universo, también está formado por una cantidad de materia y energía constante.

Pero aunque la materia y la energía permanecen constantes, ésto no significa que permanezcan quietas. Por el contrario, están en permanente movimiento.

La materia y la energía pueden trasformarse, cambiar de una forma a otra. Son los cambios de la naturaleza y en estos cambios siempre están juntas la materia y la energía.

― ¿Cómo puede ser que lo que nos rodea y nosotros mismos, todo, es materia y energía en movimiento, si todo parece tan quieto? Aquí, recostados en la arena, apenas si sentimos el paso del viento, y mirando al cielo notamos que las nubes se mueven pero muy lentamente.

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El hombre nos responde: ― Miremos el sol que comienza a ocultarse. Allá en el sol, pequeñas cantidades de materia se trasforman en grandes cantidades de energía.Esto ocurre durante reacciones atómicas que explicaremos después.

La luz y el calor que llegan desde el sol abastecen de energía la Tierra . El sol es la principal fuente de energía en nuestro planeta. Esta luz radiante que procede del sol es la que mantiene la vida sobre la superficie de la Tierra.

De la enorme cantidad de energía que sale del sol, sólo una pequeña parte llega a la atmósfera de la Tierra. La cantidad de energía solar que recibe la Tierra es constante.

La cantidad de luz y calor del sol, sin embargo, se reparte de manera desigual sobre la superficie. A algunos habitantes de la Tierra les toca más luz y calor que a otros.

― ¿Y por qué esa repartición desigual? Debería repartirse por partes iguales ― dice una de las niñas, expresando lo mismo que todos estábamos pensando indignados ante tan tremenda injusticia.

Nada podemos hacer para corregir esta desigualdad. Tiene que ver con la hora del día, la época del año y el lugar en el que estemos parados. Depende del movimiento de traslación de la Tierra y de la latitud del sitio en que se vive.

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El máximo de luz y calor solar se recibe en un lugar cuando el sol se halla directamente sobre las cabezas y, por lo tanto, sus rayos son verticales. Pero ésto sólo ocurre en determinados sitios y en determinadas épocas del año. Por éllo es que en algunos lugares se presentan fuertes variaciones del clima. Es lo que se conoce como las estaciones.

Aunque el sol es la fuente de energía más importante, la que mantiene la vida sobre la superficie de nuestro planeta, no es la única. También desde las profundidades de la Tierra llega energía a la superficie.

Esta energía que llega desde el interior de la Tierra se encuentra en forma de calor y es llamada energía geotérmica. Fluye continuamente desde el interior hacia la superficie y desde aquí hacia la atmósfera.

La energía del interior llega a la superficie de la Tierra con flujos de magma, erupciones volcánicas y movimientos de placas tectónicas. Estos fenómenos pueden resultar en terremotos, que liberan tremendas cantidades de energía en forma de movimiento y calor.

Ahora que conocemos la manera como se abastece de energía nuestro planeta, pasemos a mirar qué sucede con ella.

Para comenzar, la supervivencia de los seres vivos depende de la circulación de la energía. Necesitamos de la energía del Sol para vivir. Esta energía pasa de unos a otros organismos vivos.

En este momento a algunos muchachos se les ocurre preguntar:

― ¿Cómo se reparte la energía del sol entre tantas plantas y tantos animales? ¿Aquí también a unos les toca más que a los otros?

― Un poco de calma ― dice el narrador barbudo, como si quisiera organizarnos --. Para entenderlo, deberíamos antes saber que los animales y las plantas no se encuentran por ahí esparcidos de cualquier manera, tal como dejan seguramente ustedes las cosas en su cuarto.

Para saber más sobre las estaciones averiguemos esta historia con

el profesor de geografía

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No, muchachos. Si observamos con cuidado, veremos que los seres vivos se hallan organizados en grupos sobre la superficie de la Tierra. En un lugar siempre hay varias mariposas de las mismas, o cucarrones, o árboles de la misma clase. Estos grupos de seres vivos de la misma clase se conocen con el nombre de población.

En un mismo lugar hay numerosos organismos diferentes que forman muchas poblaciones diversas. Pueden ser plantas o animales. Las poblaciones de plantas y animales que habitan en un área particular conforman lo que se llama comunidad.

En una comunidad las plantas y animales se relacionan los unos con los otros, como cuando un insecto come la hoja de un árbol, o cuando un pájaro hace su nido en el hueco de un árbol. Como los miembros de la comunidad viven en la misma localidad, dependen los unos de los otros para su alimentación y albergue.

Observemos que alrededor de la comunidad de plantas y animales existe un medio ambiente físico formado por sol, aire, agua, terreno, viento. Los miembros de la comunidad, además de relacionarse entre sí, también se relacionan estrechamente con su medio ambiente físico. Esto ocurre, por ejemplo, cuando las arañas utilizan el viento para comenzar a tejer sus redes o cuando los animales beben agua.

La comunidad de seres vivos que interactúan entre sí y con su medio ambiente físico es lo que se denomina ecosistema. El tamaño de un ecosistema lo decidimos nosotros, según nuestros intereses para observarlo.

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Podemos elegir como ecosistema sólo una partecita de la naturaleza como, por ejemplo, una gota de agua de un estanque o algo inmenso como el océano.

Y como ya sabemos que plantas y animales se encuentran organizados sobre la superficie de la Tierra, ahora sí veámos cómo se reparten la energía.

Cuando la energía del sol llega a la Tierra, una parte de élla ingresa en un circuito o cadena formado por todos los seres vivos.

El primer eslabón de la cadena lo conforman las plantas verdes. Ellas toman la energía que llega del sol y la almacenan dentro de sus raíces, tallos, hojas, flores y frutos. El proceso por medio del cual las plantas verdes almacenan energía se llama fotosíntesis. Las plantas verdes trasforman la energía del sol en alimentos, en energía bioquímica. Como las plantas verdes hacen compuestos ricos en energía, es decir, alimentos, se les llama productoras.

El segundo eslabón de esta cadena está compuesto por comedores de plantas o herbívoros, tales como insectos, caracoles, ganado, etc.

El tercer eslabón lo integran los animales que comen herbívoros, o sea, los carnívoros. Estos, a su vez, serán alimento para otros carnívoros, como sucede cuando los halcones comen serpientes.

Y como todas las plantas y animales mueren, sus cuerpos son entonces descompuestos y consumidos por descomponedores,como por ejemplo, cienpiés, gusanos de tierra, moscas y microorganismos tales como hongos y bacterias.

La cadena de seres vivos por la que circula la energía del sol se conoce con el nombre de cadena alimentaria, y cada eslabón de la cadena se llama nivel trófico.

La transferencia de energía del sol de un eslabón a otro no es eficiente. Se sabe que sólo una pequeña porción, algo así como la décima parte de la energía química de un eslabón, puede ser transferida hacia el siguiente. El

Para saber más acerca del proceso de fotosíntesis preguntémosle al

profesor de cicnias naturales.

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resto de la energía se pierde como calor. Es por ésto que la vida sigue dependiendo de la energía externa que llega del sol.

El hombre de barba blanca continúa contándonos:

― La energía que llega desde el sol circula por la cadena que une a todos los seres vivos. ¿Pero qué pasa con la materia que forma los organismos de los seres vivos? ― Pregunta nuestro narrador, y él mismo responde:

― La materia que forma los organismos de los seres vivos también circula permanentemente entre éstos y el medio ambiente.

Este ciclo es así: las sustancias que forman las plantas y animales proceden del medio ambiente físico y luego regresan a este cuando los organismos mueren.

Este intercambio de materiales entre los seres vivos y el mundo no vivo se conoce como el ciclo de la materia.

Los ciclos más importantes de la materia son el del carbono, el del oxígeno y el del nitrógeno. El uso adecuado que de la energía hagamos los hombres, deberá considerar estos ciclos.

Nosotros, entonces, formamos parte de dichos ciclos, o mejor dicho de un solo ciclo de materia y energía. Nuestro cuerpo es materia y energía, y pertenecemos a un ecosistema.

― ¿Comenzamos a entender por qué estamos involucrados si algo daña nuestro medio ambiente? ― pregunta el narrador mientras nos mira de reojo.

Para comprender por qué hay tanta basura que le hace daño al medio ambiente debemos saber algo sobre los ciclos de la materia.

Empecemos con el ciclo del carbono. El carbono es el principal elemento de los seres vivos.

En el medio ambiente el carbono se encuentra en la atmósfera o disuelto en el agua; también en la corteza de la tierra en forma de carbonatos y en los combustibles fósiles como el carbón y el petróleo.

― ¿Cómo llega el carbono a nuestros organismos? ― preguntamos

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― Las plantas verdes lo toman durante el proceso de fotosíntesis para producir carbohidratos y otros compuestos alimenticios que, como ya vimos, se guardan en el cuerpo de la planta. Estos compuestos orgánicos, o alimentos, pasan desde las plantas a los animales herbívoros y carnívoros. Cuando plantas y animales respiran, el carbono es liberado otra vez al medio ambiente en forma de dióxido de carbono.

También el carbono regresa al medio ambiente en forma de dióxido de carbono cuando los cuerpos muertos de plantas y animales se van descomponiendo.

Si estos procesos de descomposición son demasiado lentos, entonces grandes cantidades de materia orgánica se acumulan y con el paso del tiempo son cubiertos por tierra. Tales depósitos pueden transformarse en carbón y petróleo. Cuando se queman carbón y petróleo, el carbono ahí contenido se libera a la atmósfera en forma de dióxido de carbono.

Así pues, la ruta del ciclo del carbono es: de la atmósfera o el agua hacia los seres vivos y de éstos otra vez hacia la atmósfera y al agua.

El ciclo del oxígeno es muy importante para la respiración de plantas y animales. Algunos seres vivos tomamos oxígeno de la atmósfera.Otros, como los peces, toman el que se halla disuelto en el agua.

El oxígeno retorna al medio ambiente en forma de dióxido de carbono (oxígeno combinado con carbono) y agua (oxígeno combinado con hidrógeno). Así combinado, el oxígeno entra al cuerpo de las plantas durante la fotosíntesis y es luego liberado sólo como oxígeno. El oxígeno liberado por las plantas durante la fotosíntesis es el que respiramos otros seres vivos.

El ciclo del nitrógeno es importante porque en él se constituyen las proteínas que forman la estructura del cuerpo de los organismos vivos.

Las tres cuartas partes del aire son nitrógeno. Sin embargo, el nitrógeno del aire no puede ser usado por los seres vivos. Algunas bacterias que viven en el suelo ayudan a combinar nitrógeno con oxígeno para formar nitratos. Las plantas usan nitratos para fabricar proteínas vegetales.

Una parte de las proteínas de las plantas es consumida por animales y convertida en proteínas animales. Cuando las plantas que no son comidas mueren, el nitrógeno que contienen sale al medio ambiente.

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― Y ahora sí: ¿de qué podemos darnos cuenta luego de conocer los ciclos de la materia y de la energía en nuestro planeta? ― nos pregunta el hombre de barba, como en un desafío.

Algunos acertamos a responder: ― ¡Que la materia y la energía se mueven permanentemente en la naturaleza!

Si sabemos ésto podríamos concluir algo muy importante, algo que fue lo que hizo posible todo este cuento. Recuerdan ustedes que no se creían involucrados con el daño al medio ambiente ....

― ¡Ya!, es como si nosotros fuéramos una sola cosa con el medio ambiente ― contesta genialmente uno de los muchachos.

Otro dice atropelladamente, como si alguien pudiera adelantársele:

― Aunque no vemos el movimiento de la energía y de la materia, si vemos las transformaciones que causa este movimiento: alimentos hechos por las plantas, nosotros que comemos y crecemos.

― Pero si no podemos verlos, ¿cómo sabemos que esos movimientos de materia y energía de verdad existen? ― pregunta otro más acucioso.

― Los seres humanos ― dice el hombre de barba ― hemos llegado a saber muchas cosas armando la historia del juego entre la materia y la energía en el pensamiento. Y se han realizado muchos experimentos para comprobar si lo que pensamos es realmente lo que ocurre en la naturaleza. Pensando se han propuesto modelos que tratan de explicar qué pasa en aquellos lugares de la naturaleza que no vemos, allí donde nuestra vista no alcanza.

Si quieren continuar la historia de esta aventura de la humanidad que se llama ciencia, les propongo examinar, ya de regreso en su colegio, una de las partes más importantes de la naturaleza: el agua.

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VIAJE AL INTERIOR DEL AGUA

e todos los materiales que nos rodean, el agua es el más abundante y tal vez el que nos resulta más familiar y necesario. A pesar ser tan familiar para nosotros, el agua esconde sus secretos. La exploración de algunos de ellos puede ayudarnos a entender cómo están formados todos los materiales, algo muy importante para comprender más acerca de la energía.

Un cubo de hielo dejado encima de una mesa se transforma al cabo de un tiempo en un pocito de agua. Si colocamos este pocito encima de una estufa encendida, en breve se convierte en un gas blancuzco y caliente al que llamamos vapor de agua. Estas experiencias nos son tan familiares que pensamos poco en ellas. Sí y ¿qué?, podríamos preguntarnos.

Pero además de esta pregunta, podríamos intentar otras como:

¿Por qué en el primer caso (transformación de hielo en agua) no es necesaria la intervención del hombre, mientras que en el segundo (transformación de agua en vapor), esa intervención sí es necesaria?

¿Por qué no ocurre al revés? Es decir, ¿por qué el agua dejada encima de la mesa no se vuelve hielo? ¿Puede ésto llegar a ocurrir? ¿Cuándo, cómo? ( ¿Por qué la sopa que se ha enfriado no se calienta sola y tenemos que ponerla en la estufa? )

¿Cuál es la diferencia entre el hielo, el agua y el vapor? ¿Son del mismo material o se trata de materiales diferentes entre sí?

En fin de cuentas, ¿qué es lo que ocurre cuando el hielo se convierte en agua y ésta en vapor?

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Si hacemos esta última pregunta a un profesor de ciencias o a un adulto más o menos educado, nos responderá sin dudar, "Claro, lo que pasa es que el agua cambia de estado", o algo parecido y todo queda explicado....

Pero ¿queda todo explicado? Por ejemplo, ¿qué es estado?, y ¿cómo cambia el agua, si en el primer caso no hubo intervención de nadie y en el segundo caso sí?

Intentaremos responder a estas preguntas con un viaje al interior del agua. Nuestra guía será lo que la ciencia ha llegado a saber acerca de la estructura interna que tienen todos los materiales, y sobre procesos como la transformación del hielo en agua y de ésta en vapor, que ocurren en la naturaleza, con o sin la intervención del hombre.

Imaginemos que reducimos nuestro tamaño, por ejemplo, con la bebida que tomó Alicia en el País de las Maravillas, o con algún rayo luminoso, como en las películas de ciencia-ficción.

Supongamos que cada toma de la bebida o cada exposición al rayo divide nuestro tamaño por diez; es decir, si nuestra estatura es de 1.50 metros, una primera toma o exposición nos dejaría de 15 centímetros (0.15 metros), la segunda de 15 milímetros (0.015 metros) y así sucesivamente. Necesitaríamos de nueve tomas o exposiciones para poder dar un vistazo con alguna dificultad al interior del cubo de hielo.

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En este momento, lo que en las primeras tomas o exposiciones al rayo veíamos como una lisa y fría pared, aparece ahora como una enredada malla de esferas conectadas entre sí.

Si miramos con cuidado, encontraríamos entonces que hay un orden en esas esferas. Una grande en el centro, con dos pequeñas iguales y unidas al exterior de la más grande parecen ser la clave del cubo de hielo: La esfera grande y las dos pequeñas se repiten por toda la pared y por todos los rincones del cubo de hielo.

Estamos viendo lo que los científicos han llamado la molécula del agua.

En el interior del cubo de hielo, las moléculas están unidas fuertemente entre sí por lo que podríamos imaginar como un resorte. (Este resorte no lo veríamos, porque no existe: en realidad son unas fuerzas que mantienen juntas las esferas de la molécula. Pero sí podríamos apreciar que las moléculas se mueven en torno a un punto, como si estuvieran en un columpio que se oscila de adelante para atrás y de atrás para adelante, pasando siempre por el punto en que el columpio se encuentra cuando está quieto. Este punto se llama punto de equilibrio).

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En cambio, de las paredes veríamos caer varias moléculas, como trozos que se desprenden de la superficie. (¡Cuidado!. con el diminuto tamaño que ahora tenemos, un trozo de éstos nos haría el mismo daño que sufriríamos con el desprendimiento de rocas de una montaña). Es como si los resortes imaginarios que sostienen las moléculas del cubo se estuvieran rompiendo, de manera que los trozos que se desprenden de la pared se convierten en agua líquida.

Dicho de otra manera, el cubo y el agua líquida están hechos de las mismas moléculas (por eso podemos decir que ambos son agua), pero en la forma sólida (el hielo) existen más resortes imaginarios que sostienen las moléculas en torno a su punto de equilibrio. En el agua líquida varios de estos resortes se han roto y trozos compuestos de varias moléculas empiezan a moverse, alejándose o acercándose a otros trozos, pero ya no hay un punto de equilibrio. ¿Por qué ocurre éste rompimiento de resortes, si no hay intervención humana?

Para explicar ésto, miremos a los alrededores del cubo. Como podemos ver las moléculas del agua, también podremos ver las moléculas del aire que rodea el cubo. Aquí la situación es diferente. Las moléculas se encuentran casi completamente aisladas unas de otras. O sea, ya no hay trozos, sino moléculas solas, de diferentes tamaños que se mueven en todas direcciones. Entre ellas alcanzamos a reconocer algunas como moléculas de agua.

Para apreciar mejor lo que ocurre, tendríamos que tomar una vez la bebida inversa, la que nos hace crecer, o invertir el efecto del rayo luminoso, y exponernos a él una sola vez. Ahora, somos diez veces más grandes.

En este tamaño, apreciamos que el movimiento de las moléculas del cubo de agua es mucho más lento que el de las moléculas del aire. Si nos alejamos un poco, también advertiremos que las moléculas de aire más cercanas a las paredes del cubo están moviéndose más lentamente que las más lejanas. Anotemos ésto y regresemos a nuestro tamaño normal. Lo que sigue, lo experimentaremos directamente en casa.

Coloquemos un termómetro (uno de esos que se consiguen en las droguerías y con que nos toman la temperatura cuando estamos enfermos) junto al cubo de hielo, esperemos un rato y anotemos en una libreta lo que marca (un buen científico siempre tiene una libreta de notas). Luego,

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pongamos el termómetro en un lugar seguro pero a un metro, más o menos unos tres pasos, del cubo de hielo. Esperemos otro rato y anotemos la segunda marca del termómetro.

Si comparamos las dos marcas del termómetro, veremos fácilmente que la del cubo de hielo es menor que la segunda marca, o sea, la del aire. El hielo está más frío, es decir, tiene menor temperatura que el aire que lo rodea. Por supuesto, ¡ésto ya lo sabíamos! Pero lo que observamos cuando redujimos nueve veces nuestro tamaño (recordemos que cada vez era una división por diez de nuestro tamaño), nos ayuda a entender qué significa la temperatura de un cuerpo, sea sólido, como el cubo de hielo, o gaseoso, como el aire alrededor del cubo.

Recordemos que las moléculas del cubo de hielo se movían más lentamente que las del aire. La temperatura es una medida de que tan rápido o que tan lento se mueven las moléculas de un cuerpo.

Pero como el termómetro también es mucho grande que las moléculas, esa medida no es la del movimiento de una sola molécula sino la de muchas a la vez, que golpean las paredes del bulbo del termómetro.

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Todos los cuerpos o materiales tienen una temperatura. Eso ocurre porque todos los materiales están compuestos de moléculas y las moléculas siempre están moviéndose, ya sea en torno a un punto de equilibrio, como en el cubo de hielo, ya sea dentro de un trozo, como en el agua líquida, o solas, como en el aire. Los científicos llamaron a este movimiento de las moléculas de un cuerpo la energía interna. La temperatura mide la energía interna de un cuerpo.

Pensemos sobre lo que hemos visto y anotado. Ahora sí podemos explicar por qué el cubo de hielo se convierte en un pocito de agua sin que nadie intervenga.

(Intentemos escribir en el cuaderno de trabajo o en nuestra libreta una explicación que tenga en cuenta lo que llevamos dicho hasta ahora. Después comparemos lo que hemos escrito con lo que se dice a continuación)

Dejemos quieto por una hora el pocito de agua que formó el cubo de hielo al derretirse y midamos de nuevo su temperatura. Midamos después la temperatura del aire a un metro del agua. ¿Que encontraremos?

Cuando dos cuerpos se hallan en contacto, como el cubo de hielo y el aire, las moléculas de ambos cuerpos chocan entre sí. Si uno de los dos tiene mayor temperatura (está más caliente, tiene mayor energía interna - se puede decir de todas estas maneras) que el otro, una mayor cantidad de moléculas de ese cuerpo chocarán contra las del más frío. Tales choques harán que las moléculas del más frío se muevan más rápidamente, elevando así su temperatura.

Las moléculas del aire chocan con las del hielo y las hacen mover más rápidamente, aumentando la temperatura de las paredes del cubo de hielo. Al moverse más rápido las moléculas del hielo, llega el momento en que los resortes imaginarios que las mantenían fijas alrededor de su punto de equilibrio comienzan a romperse, y el hielo se convierte en agua.

A su vez, debido a esos choques, las moléculas de aire más cercanas a las paredes del cubo de hielo se mueven más lentamente que antes. Al convertirse el hielo en agua, éste se calienta, pero el aire más cercano al hielo se enfría.

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Hallaremos que las dos marcas son aproximadamente iguales. (Si redujéramos otra vez nuestro tamaño nueve veces, notaríamos que las moléculas del agua y las del aire se mueven más o menos a la misma velocidad). Los choques entre las moléculas del aire y las del agua no son tan violentos como las del aire y el hielo. (Pero, de todas maneras, observaremos que algunas moléculas de agua salen del pocito, solas y no en trozos, y se mezclan con las moléculas del aire, formando una neblina sobre la superficie del agua).

Cuando esto ocurre, o sea, cuando los dos cuerpos tienen la misma temperatura, se dice que están en equilibrio térmico (¡otra vez esa palabra, equilibrio!) y el proceso por el cual el hielo se convirtió en agua se detuvo. (¡Claro, ya no hay hielo!, pero tampoco toda el agua se convierte en vapor, y tendremos el pocito de agua por varios días, a menos que haya un día muy caliente, o el pocito sea muy pequeño)

Para que vuelva a darse otro proceso, es necesario que ocurra un nuevo des-equilibrio, lo cual puede suceder en una de dos formas.

La primera es por un fenómeno natural:

El día amaneció muy soleado, y el aire adentro de la ventana se calentó tanto, que el pocito de agua desapareció, se evaporó, se convirtió en vapor. (Las moléculas del aire, al calentarse por el sol, tienen ahora mayor energía interna y chocarán otra vez violentamente con las del agua, hasta que todas las moléculas del agua se hayan mezclado con las del aire).

Podría ocurrir también a la inversa, aunque no en las regiones habitadas de Colombia. Un día muy frío de invierno y el pocito de agua se encuentra a la intemperie. Si la temperatura es muy baja, las moléculas del aire se moverán muy lentamente y chocarán poco y débilmente con las del agua. A su vez, las moléculas del agua también se moverán tan despacio que las más cercanas entre sí empezarán a atraerse unas a otras

(¡Sí!, así como el sol atrae a la Tierra y la Tierra a la luna, o como un imán atrae al hierro cercano).

Los resortes imaginarios se compondrán solos y el agua líquida tornará a convertirse en un sólido bloque de hielo. (Para que se volviera otra vez cubo, tendría el agua que estar en un molde con la forma de cubo).

La segunda es por la intervención del hombre:

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Alguien, uno de nosotros, coloca el agua sobre una estufa encendida. Aquí ocurre al revés de lo que pasó en el fenómeno natural. Las moléculas de agua, en contacto con las moléculas rápidas del metal caliente de la olla, comienzan a moverse más rápido.

En este movimiento, los resortes imaginarios que quedan, los que mantienen los trozos compuestos de varias moléculas, comienzan primero a estirarse. (Cuando estos resortes se estiran, el agua pesa menos. Como el agua que está en el fondo de la olla se calienta primero, pesa menos que la de más arriba. Por esto, flota en el agua más fría de las capas superiores. Esto nos explica por qué el agua se mueve sola cuando se calienta). Si el movimiento continúa, los resortes se rompen y el agua se convierte en vapor.

Aquí, las que se calientan son las moléculas del agua. En el fenómeno natural eran las del aire. Pero ¡el resultado es el mismo! La diferencia está en la intervención del hombre. Además de poner el agua encima de la estufa, ¿de qué otras maneras hubo intervención del hombre?

También podemos operar el proceso en sentido inverso. Colocamos el agua dentro del congelador de la nevera. La nevera es un aparato que enfría el aire atrapado dentro de ella. (Pero si tocamos el serpentín metálico que se encuentra en la parte de atrás de la nevera, notaremos que está más caliente que el aire que lo rodea. ¿Podemos decir que es el calor que la nevera saca del aire dentro de élla?).

El agua entra en contacto con el aire frío de la nevera y las cosas pasan como en el segundo de los fenómenos naturales que miramos antes. Aquí también son las moléculas del aire las que se enfrían. La nevera nos sirvió para fabricar un invierno dentro de élla. Pero debimos calentar más el aire fuera de la nevera.

Repasemos todo lo que hemos visto hasta ahora. Si lo hacemos con cuidado, llegaremos a comprender lo siguiente, que es muy importante para saber más acerca de la energía y la forma como los hombres la podemos utilizar.

Notemos que en los fenómenos naturales, aquellos que ocurren sin la intervención del hombre, siempre hay una dirección. El proceso ocurre cuando hay un desequilibrio térmico. Lo más caliente (mayor energía interna) se enfría; lo más frío (menor energía interna) se calienta, hasta

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que los dos cuerpos alcanzan la misma temperatura (equilibrio térmico). Aquí el fenómeno natural se detiene.

Para romper un equilibrio térmico tenemos dos posibilidades. Una: esperar a que un nuevo fenómeno natural lo rompa. Dos: intervenir con aparatos (la estufa, la nevera, otros).

La segunda opción nos permite romper el equilibrio térmico cuando lo necesitemos. (Es hora de preparar el almuerzo y no podemos esperar hasta que un día muy soleado nos caliente el agua de la sopa). Pero en este caso, debemos gastar algo para romper ese equilibrio. (el gas o la energía eléctrica que consume la estufa).

Los científicos dirían "para romper un equilibrio térmico, debemos gastar energía". Para ello debemos utilizar algún aparato térmico, por ejemplo la estufa, que transforma la energía interna de un material (el gas, por ejemplo) en una forma de energía útil para nosotros en el momento en que lo necesitamos (el calor de la llama, por ejemplo).

¿Cómo funciona la estufa? La llama del fósforo hace mover muy rápido las primeras moléculas del gas que sale al abrir la válvula. Estas chocan contra las que siguen y se mantiene la llama encendida. (¿Por qué no se devuelve la llama por la tubería que trae el gas?). Las moléculas del gas, en rápido movimiento, chocan con las metal de la olla, y ... el resto ya lo sabemos.

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La existencia de un desequilibrio térmico nos permite efectuar un trabajo. Aquí trabajo tiene un significado especial. No significa lo mismo que cuando decimos, por ejemplo, "comprender este cuento me ha costado mucho trabajo". Quiere decir que hacemos mover algo, utilizando otro tipo de aparato, para satisfacer alguna necesidad nuestra.

Por ejemplo, el desequilibrio térmico lo usamos para transformar agua líquida en vapor y el vapor lo utilizamos para mover un pistón, el cual mueve una locomotora. Estos aparatos se llaman máquinas térmicas.

Siempre que utilizamos una aparato térmico ocurre un calentamiento donde no lo necesitamos. La llama del gas de la estufa no sólo calienta la olla, sino también el aire cercano, el metal de la estufa, etc. Ya vimos que la parte trasera de la nevera se calienta.

Este calor proviene de la misma fuente que la energía útil que empleamos o el trabajo que hicimos con la máquina térmica, pero es una energía interna que no podemos aprovechar, que se ha perdido como calor.

Los científicos han definido una medida de qué tan buena es una máquina térmica para aprovechar la energía interna de un material. Esa medida, que se llama eficiencia térmica, es igual a la energía útil dividida por la energía total disponible.

¿La nevera es una máquina térmica? Podríamos decir que la nevera es una máquina térmica, sólo que funciona en sentido inverso. ¿Podríamos anotar la principal diferencia entre la forma como funciona una máquina térmica en sentido directo y la nevera?

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AGUA, COMBUSTIBLES, DEMONIOS, IMANES

Y OTRAS COSAS

urante el viaje al interior del agua aprendimos que este material tiene una estructura interna, es decir, está formado por una molécula especial. También vimos que ésta presenta una esfera grande en el centro y dos más pequeñas alrededor.

Ahora podemos decir que la esfera grande es un átomo de oxígeno y las dos pequeñas, átomos de hidrógeno, por lo que los químicos conocen esta molécula como:

molécula del agua = H20

Lo curioso es que normalmente el oxígeno y el hidrógeno son ambos

gases muy inflamables (tanto, que los cohetes que viajan al espacio, en lugar de gasolina queman hidrógeno y oxígeno). Por separado, el oxígeno y el hidrógeno son peligrosos, porque pueden prenderse muy fácilmente.

¡Pero todos sabemos que eso no ocurre con el agua!

De lo anterior podemos sacar dos conclusiones importantes:

Primero, lo que diferencia un material de otro es la manera como está

compuesta su molécula. La molécula de un material es algo así como su tarjeta de identidad, lo que nos dice que es una cosa y no otra distinta. Como vimos, el hielo, el agua líquida y el vapor de agua están hechos todos de la misma molécula especial, la H20. Además, que la manera como ese material se comporta depende de esa molécula.

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Segundo, las moléculas de un mismo material pueden unirse unas con otras de diferentes formas. Esto depende de las condiciones existentes alrededor del material. Si la temperatura es muy baja, las moléculas de agua se mueven tan lentamente que comienzan a atraerse las unas a las otras hasta formar hielo. Si la temperatura es muy alta, las moléculas del agua se moverán muy rápidamente, hasta que esa atracción (los resortes imaginarios de que hablamos antes) se rompe, y el agua líquida se vuelve gas (vapor de agua). Entonces, se dice que el material ha cambiado de estado.

El cambio de estado libera energía si se pasa de un estado más organizado (por ejemplo el sólido) a uno menos organizado (por ejemplo el líquido). La energía disponible es la que mantenía en su sitio las moléculas del material cuando se encontraba en el estado más ordenado (los resortes imaginarios)

En el caso contrario, cuando el material pasa de uno menos organizado a otro más organizado, se absorbe energía. (¿Recuerda la pregunta en el capítulo "Viaje al Interior del Agua", sobre la nevera como máquina térmica en sentido inverso?)

Sigamos con nuestro tema.

Conviene señalar que no sólo la temperatura de los alrededores es importante. La presión puede también originar cambios de estado, si varía lo suficiente

Pensemos que la presión es una medida del espacio disponible para el movimiento de las moléculas del material. Si el espacio es grande, la presión es más baja que cuando se reduce para el mismo número de moléculas.

Lo observamos en una bomba de caucho. Inflemos primero una bomba de caucho hasta que adquiera una forma esférica, pero cuidando que el caucho de la bomba quede algo flojo, no totalmente estirado. Si ahora empezamos a dar vueltas a la bomba, sujetando fijamente un extremo con una mano y girando la bomba con la otra, tendremos un menor espacio para el mismo número de moléculas de aire. La pared de la bomba se tensiona más porque la presión dentro de la bomba aumentó.

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Los materiales que conforman el universo están hechos de la misma manera que el agua, o sea, de átomos y moléculas que se mueven constantemente. La materia (es decir, todos los materiales) no está quieta, no es inerte.

Materia y energía son equivalentes. Lo dicho antes cabe también en sentido inverso. Atomos y moléculas están hechos de energía, y la materia es una forma condensada de energía. Así lo reconoció un científico alemán, Albert Einstein, quien lo escribió en una sencilla fórmula matemática:

E = m x C2

La fórmula significa que la energía es igual a la masa multiplicada por una constante. Esa constante ( C2 = C X C, con C representando la velocidad de la luz) resulta ser la velocidad de la luz elevada al cuadrado y es un número grandísimo, por lo cual la energía contenida en un gramo de cualquier material o sustancia es una cantidad enorme.

En teoría, de cualquier material podríamos obtener energía útil para nuestros propósitos. Infortunadamente, eso depende también, como ya lo vimos, de las condiciones alrededor del material. Y las condiciones necesarias para extraer energía de un trozo de piedra común, por ejemplo, no son fáciles de conseguir. Se necesitan temperaturas y presiones muy elevadas y aún no dispònemos de los aparatos que nos permitan lograrlas.

Son menos difíciles las condiciones necesarias para extraer energía de otros materiales. La temperatura indispensable para que la madera arda es relativamente fácil de lograr, como lo puede decir cualquiera que haya prendido una fogata.

Los átomos y moléculas que la componen se mueven y de ese movimiento proviene toda la energía existente en el universo conocido.

Si pudiéramos utilizarla directamente, ¡un solo gramo de materia suministraría la energía que consumen todos los habitantes actuales de la tierra durante tres horas y media!

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Pero (siempre hay un pero) en este proceso, llamado combustión, sólo estamos obteniendo una pequeñísima parte de la energía contenida en el trozo de madera (que, por supuesto, sería el combustible de este proceso). Esta parte es la energía liberada cuando las moléculas de la celulosa (unas largas cadenas de moléculas con el carbono en el centro), de que está hecha la madera, se convierten en unas moléculas más simples, las de un gas llamado dióxido de carbono (cuya molécula se escribe = CO2. ¡Ojo, este C no es el mismo de la fórmula de Einstein, sino la representación del carbono!).

Notemos que aquí se pasa también de un estado más organizado (las moléculas complejas de la celulosa) a uno menos organizado (las moléculas simples del CO2).

En la combustión de un trozo de madera, además de la luz y el calor (que representan la energía útil para nuestro propósito - por ejemplo, podernos ver para conversar mientras calentamos un chocolate-, mas una parte que se pierde como calentamiento del aire alrededor de la fogata), tenemos también humo y cenizas, manifestaciones ambos de que la combustión no fue completa, es decir, no toda la celulosa se convirtió en CO2 .

En el humo, además del C02, hay otros gases como el C0 (una forma incompleta y venenosa del bióxido de carbono, que se llama monóxido de carbono), C (es decir, carbono en estado gaseoso), vapor de agua (proveniente del agua líquida que había en la madera) y otros. En las cenizas encontraremos también remanentes de celulosa que no se quemaron, C (o sea, carbono no completamente quemado) y otras sustancias, dependiendo del tipo de madera que utilicemos.

Si midiéramos la energía contenida en el trozo de madera inicial, es decir, antes de prender la fogata; si luego midiéramos la energía contenida en la luz, el calor, el humo y las cenizas, o sea, hiciéramos lo que se llama un balance térmico, encontraríamos algo muy importante: ¡las dos cantidades siempre son iguales!

O sea: Energía en la madera = luz + calor + cenizas + humo

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Hemos encontrado lo que los científicos llaman la ley de la conservación de la energía, cuya formulación más conocida dice :

La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma

Dicha ley es, por supuesto, muy conveniente. Tendríamos algo así como un banco energético en el cual el saldo sería siempre el mismo, no importa cuánto gastemos de la cuenta.

Pero (ya lo dijimos, siempre hay un pero) resulta que no podemos volver a unir la luz, el calor, las cenizas y el humo para obtener el trozo inicial de madera. Dicho de otra forma, el proceso de combustión a que sometimos la madera no es reversible. No puede hacerse en sentido contrario y obtener exactamente el estado inicial.

El calor que calentó el aire alrededor de la fogata se disipó en el aire, hasta que se llegó a un nuevo equilibrio. Los gases del humo se dispersaron hasta mezclarse con los demás que hay en la atmósfera. Las cenizas podrían quemarse de nuevo, pero obteniendo menos luz y calor con un mayor gasto de energía.

La cantidad de energía sigue igual, pero nuestra posibilidad de utilizarla ha disminuido en la medida en que el orden de las moléculas del trozo inicial de madera se redujo a las menos ordenadas moléculas de las cenizas y el humo, y apareció un nuevo equilibrio de los gases en la atmósfera y del calor en el aire.

Nuestra posibilidad de aprovechar la energía presente en un material en un estado dado depende del des-equilibrio, sea interno al material o en la relación del material con sus alrededores. Y como espontáneamente los procesos tienden al equilibrio, siempre debemos "gastar" algo para generar un nuevo desequilibrio que nos permita utilizar la energía. (¿Nos hemos dado cuenta ya de que equilibrio = mayor desorden, y desequilibrio = mayor orden? ¿Tendrá ésto algo que ver con lo difícil que es mantener nuestro cuarto ordenado?)

¡En el uso de la energía no hay, como dice un viejo proverbio inglés, tal cosa como un almuerzo gratis!

Tratando de demostrar lo contrario, un científico inglés que se llamaba James C. Maxwell se inventó un demonio quien, sin violar la ley de conservación, hiciera que los procesos espontáneamente tendieran al

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desequilibrio, es decir, al mayor orden. De ese orden podría extraerse energía útil, sin gastar nada.

Este experimento mental no generó energía útil, pero sí

grandes discusiones entre los científicos de hace cien años. Sin embargo, aún no disponemos del demonio de Maxwell, por lo que los esfuerzos del hombre por mejorar el uso de la energía han ido en dos sentidos. Por un lado, extraer energía de los materiales que la contengan en mayor cantidad (es decir, que internamente sean más ordenados). Por el otro, en diseñar procesos más eficientes, o sea, que aprovechen mejor la energía total disponible.

El proceso de combustión, uno de los primeros utilizados por el hombre para proveerse de energía útil, es un buen ejemplo de esos esfuerzos.

Por el lado del combustible, la madera fue sustituida primero por el carbón mineral y luego por el petróleo y sus derivados y gases combustibles. Todos estos materiales, incluida la madera, están conformados por largas y complejas cadenas de moléculas con átomos de carbono en el centro.

Es decir, son moléculas orgánicas (si, parecidas a las que se encuentran en todos los seres vivos) que reaccionan con el oxígeno a temperaturas razonablemente bajas y por tanto fáciles de obtener. Es la misma reacción de las moléculas de celulosa de la madera: el oxígeno rompe las largas moléculas orgánicas para producir las simples del CO2. La diferencia se transforma en calor aprovechable, en energía útil. Como se trata de un

El demonio de Maxwell es un personaje con capacidad de ver las moléculas y distinguir las más rápidas de las más lentas. Podría manejar una válvula sin fricción, conectada en una pared divisoria y en la mitad de un tanque que contuviera un gas. Al aproximarse una molécula rápida, el demonio la dejaría pasar a un lado del tanque, mientras que almacenaría las moléculas lentas en el otro lado. El resultado sería un gas más caliente en el lado de las moléculas rápidas y uno más frío en el lado de las moléculas lentas. La energía total se mantendría constante, pero el demonio generaría, espontámeamente, un desequilibrio que podría aprovecharse para extraer energía útil. ¡Y podría repetir la operación!

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cambio de un tipo de molécula a otro, esta energía se llama energía química.

Por el lado del proceso, se han construido máquinas para soplar más aire, y por tanto, más oxígeno al sitio en que se encuentra la combustión para hacerla más completa. (Claro, como cuando abanicamos la hoguera para avivar el fuego. Y si ésto es así, ¿por qué se apaga una vela encendida cuando soplamos sobre la llama?)

También se han construido cámaras en las que el combustible se comprime hasta que explota.¡La presión puede jugar el mismo papel que la temperatura!

Pero la combustión no es la única manera de extraer energía útil. Tampoco la más eficiente.

Desde hace mucho tiempo, los hombres observaron una serie de fenómenos relacionados, ahora lo sabemos, con una forma diferente de energía. Ciertas piedras tienen la capacidad de atraer ciertos metales. Si frotamos una peinilla con un trapo de algodón veremos que puede atraer trocitos de papel. A veces si tocamos la puerta metálica de un carro sentimos algo parecido a un pinchazo. En días nublados caen rayos y truenos...

Hubo un tiempo en que se creyó que el rayo era el arma de un enojado dios. Tiempo después, un científico norteamericano llamado Benjamín Franklin, elevando una cometa hacia una nube de tormenta demostró que el rayo era un fenómeno eléctrico similar a los que otros científicos de su época, los italianos Galvani y Volta, habían encontrado en patas de rana y en metales diferentes sumergidos en una solución (una mezcla de agua con ácido). Pero el fenómeno de piedras que atraían metales y la aguja imantada que siempre señalaba el norte, conocido como magnetismo, aún se pensaba que era de naturaleza diferente y misteriosa.

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Uno de los desarrollos más importantes de la ciencia de los últimos cien años ha sido el de comprender que la electricidad y el magnetismo son dos manifestaciones de un mismo tipo de energía, que, desde luego, se llama electromagnética.

El responsable de esta energía se encuentra también en el interior de la materia, pero ya no a nivel de la molécula, sino dentro de los átomos que la constituyen. Es una partícula denominada electrón.

Para apreciar el electrón tendríamos que reducirnos diez veces con la poción de Alicia o con el rayo luminoso (recordemos que para ver las moléculas tuvimos que reducirnos nueve veces ). Entonces veríamos el átomo no ya como una esfera compacta, sino como una especie de neblina en cuyo centro se encontraría un pequeño punto más denso. La neblina está formada por una serie de gotas, que son los electrones, que se mueven de una manera peculiar en torno al diminuto punto denso, que es el núcleo atómico.

Ciertos materiales, entre éllos los que denominamos metales, cuentan con mayor cantidad de electrones en la parte más exterior de esa neblina, que pueden moverse lejos de su núcleo con mayor facilidad (sienten menos la atracción del núcleo). Pero (otra vez pero) para que comiencen este movimiento, debemos generar un desequilibrio! (Esto ya lo sabíamos, o ¿no?)

Podemos lograr este desequilibrio de varias formas. Una manera, la primera que utilizó el científico italiano Volta, a quién ya mencionamos, es la de poner en contacto dos metales diferentes.

Volta fabricó dos tipos de pilas: una pila de discos de cobre y cinc alternados, primero uno de cobre, luego un paño humedecido en una mezcla de agua y ácido sulfúrico, luego otro de cinc, luego otro paño humedecido en la misma mezcla y así sucesivamente. Al unir un alambre atado al primer disco de cobre con otro atado al último disco de cinc salta una chispa (eléctrica, desde luego. Si no lo cree, podría intentarlo, con mucho

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cuidado y con ayuda de su profesor, ya que manejar ácido sulfúrico puede ser peligroso).

Perfeccionando su invento, Volta utilizó barras de los mismos dos metales, pero ahora sumergidos parcialmente en una solución de agua y ácido, obteniendo una pila (ya no es una pila, sino estrictamenmte una batería) que producía una chispa más duradera. (¿Se parece a la batería de un carro?)

Lo que Volta no llegó a saber es que la diferencia de electrones en la superficie de los átomos de cada uno de los metales distintos, en presencia de una solución que reacciona químicamente, provee el desequilibrio que necesitamos (en este caso se llama diferencia de potencial o voltaje) para generar una corriente eléctrica, es decir, un movimiento de electrones que podemos utilizar como energía útil, por ejemplo, para encender un bombillo.

¿Y el magnetismo? Bueno, el magnetismo... En 1820, un científico danés llamado Oersted usando una pila de Volta comprobó que la corriente eléctrica podía desviar la aguja de una brújula, o sea, que la electricidad generaba fuerzas magnéticas.

Si la electricidad genera magnetismo, ¿lo contrario, es decir, que el magnetismo genera electricidad, sería también cierto?se preguntó otro científico, el inglés Faraday. Después de muchos intentos, Faraday, utilizando imanes naturales junto con alambres conductores eléctricos

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enrollados alrededor de un núcleo, logró generar una corriente eléctrica, estableciendo las bases para la construcción del generador de energía eléctrica, y demostrando, a la vez, que el magnetismo y la electricidad son dos fenómenos de naturaleza similar, relacionados con el movimiento de los electrones.

Lo más interesante aquí es que se puso a disposición del hombre un principio que se aplica en construcción de aparatos que trabajan con procesos más o menos reversibles. Este principio se basa en el campo magnético de un imán, la corriente eléctrica en un conductor y el movimiento de un eje.

Así, si hacemos pasar corriente eléctrica en presencia de un campo magnético, se produce movimiento. Este hecho explica inventos como el telégrafo, el teléfono, el timbre eléctrico y el motor eléctrico.

Pero si hacemos mover un eje en torno al cual está enrollado un alambre conductor en presencia de un campo magnético, se produce corriente eléctrica. Este principio explica todas las máquinas que llamamos generadores eléctricos.

Finalmente, si hacemos pasar una corriente eléctrica por un conductor enrollado en torno a un núcleo, se produce magnetismo. Este es el electroimán, que nos permite mover el campo magnético cuando movemos la corriente eléctrica, principio que opera en aparatos como el televisor y el computador.

Los aparatos eléctricos son más eficientes que el proceso de combustión. Pero llegar a inventarlos significó emplear una energía debida a un elemento de la materia, el electrón, diez veces más pequeño que la molécula más pequeña. En este desarrollo, el hombre aprendió también mucho acerca de la forma como se halla constituida la materia.

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También profundizando en la electricidad, nos encontramos con fenómenos de naturaleza similar, que son otras tantas formas de generar el desequilibrio necesario para que se muevan los electrones lejos de sus respectivos núcleos.

Si unimos por un extremo dos alambres de metales diferentes y los calentamos, podemos medir, entre los extremos opuestos de los mismos alambres, una pequeña diferencia de voltaje. A igual temperatura, la diferente cantidad de electrones en los átomos de los dos metales crea el desequilibrio necesario para que los electrones se muevan produciendo una corriente eléctrica. Este fenómeno se llama efecto termoeléctrico, pero los voltajes y corrientes producidos son tan pequeños, que hasta ahora sólo ha sido utilizado para medir temperaturas. Tal vez con el desarrollo de motores funcionen con voltajes muy pequeños, este fenómeno sea más aprovechado en el futuro.

Se ha descubierto también que ciertas sustancias son sensibles a la luz, como las sales de plata utilizadas en la fabricación del papel de fotografía. Sustancias similares, al recibir un rayo de luz, generan pequeñas corrientes eléctricas. Los electrones de los átomos de esas sustancias son alejados de sus núcleos gracias al impacto de las partículas que transportan los rayos de luz, los fotones. Este efecto se llama, naturalmente, efecto fotoeléctrico. Aquí también los voltajes y corrientes producidos son muy pequeños, por lo que su uso ha estado limitado a la fabricación de sensores (como los que detienen las puertas de ciertos ascensores o abren las puertas de ciertos edificios, al cortarse el paso de un rayo de luz).

En un futuro tal vez no muy lejano, tanto el efecto termoeléctrico como el fotoeléctrico podrían ser algunos de los procesos con que utilicemos más

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la energía proveniente del sol para abastecer nuestras necesidades de energía útil. Ya se están utilizando para suministrar energía eléctrica a los satélites. Ya tenemos calculadoras que se alimentan con la luz del sol (pensemos en lo conveniente que sería tener un techo construído de materiales termo y fotoeléctricos, que produjeran la energía eléctrica necesaria para los aparatos de la casa, a partir de la luz y el calor que recibimos del sol. Entonces, ¡no tendríamos que pagar la cuenta de la luz!)

Finalmente, ya se han construido aparatos que emplean la energía contenida en el núcleo atómico. Introducirnos en el núcleo del átomo significa reducir nuestro tamaño catorce veces diez, pero también poder disponer de la energía enorme encerrada en la materia, según la ecuación de Einstein.

La enorme cantidad de energía contenida en los núcleos atómicos se libera por medio de dos procesos:

El primero es el llamado proceso de fisión nuclear.

Existen tipos de átomos diferentes. El más sencillo es el del hidrógeno, que sólo tiene un electrón girando alrededor del núcleo, y un protón y un neutrón firmemente atados y conformando el núcleo. Si añadimos otro electrón, hemos de añadir otro protón y otro neutrón para lograr un átomo distinto, que es el de otro gas llamado helio, (elementos, se llaman estos materiales hechos de un mismo átomo)

En la naturaleza se encuentran átomos muy complejos y pesados, hasta con noventa y dos electrones, noventa y dos protones y noventa y dos neutrones, por ejemplo, que es el átomo de un elemento conocido como uranio. Pero estos átomos son tan pesados, que comienzan a desbaratarse solos, por lo que estos elementos son radiactivos, es decir, liberan parte de la energía que mantiene unidos a sus electrones, protones y neutrones, perdiendo también algunas de dichas partículas, para al cabo de cierto tiempo convertirse en elementos con átomos menos pesados.

Utilizando elementos de átomos tan pesados, podemos romper sus núcleos haciendo chocar electrones contra éllos. Se llama a este proceso fisión, porque se rompe el núcleo atómico. Al romperse el núcleo, se libera la energía que lo mantiene atado, y que puede ahora ser utilizada para producir energía útil.

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Hasta hoy se han construido dos tipos de aparatos que funcionan con este proceso. El primero son las terribles bombas nucleares. Pero también se han construido reactores nucleares para calentar agua, para generar vapor, para mover un generador eléctrico. El problema grave reside en que el rompimiento de los núcleos, tal como ocurre con la combustión, tampoco es completo. Además, el residuo ( las cenizas) contienen material radiactivo que no podemos utilizar aún como fuente de energía. Este desecho, como resulta fácil de adivinar, es altamente peligroso y nadie sabe todavía que hacer con él.

El otro proceso, todavía en etapa experimental, es el de fusión nuclear. Consiste en copiar el trabajo que se efectúa en el sol y en las demás estrellas para producir átomos más pesados a partir del átomo de hidrógeno.

Si se unen dos átomos de hidrógeno se obtiene uno de helio. Pero resulta que la masa de dos átomos de hidrógeno es mayor que la de un átomo de helio, por lo que la diferencia se convierte en energía. De aquí procede toda la energía que recibimos del sol, de la fusión de átomos de hidrógeno para producir átomos de helio y otros elementos más pesados.

La gran ventaja es que las cenizas son mucho menos peligrosas que las radiactivas del proceso de fisión. Pero (¡¡otra vez!!) la dificultad estriba en que se requieren de temperaturas y presiones demasiado altas para vencer las fuerzas internas del átomo de hidrógeno con el fin de unir dos de éllos en uno solo de helio.

Repasemos todo lo que hemos visto hasta ahora. Si lo hacemos con cuidado, llegaremos a comprender lo siguiente, muy importante para saber más acerca de la energía y la forma como los hombres la podemos utilizar.

→ Toda la energía que utilizamos para nuestros propósitos proviene de la estructura interna de la materia. Al pasar de un estado más organizado a otro menos organizado, la materia libera energía que podemos usar para algo. Así ocurre, por ejemplo, con la combustión de un trozo de madera. Aquí la energía útil, en forma de luz y calor, proviene del paso de unas moléculas complejas (celulosa) a otras más simples (dióxido de carbono).

→ Liberar la energía que contiene la materia no siempre es fácil. Depende tanto de la estructura interna de cada material, como de los

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procesos, es decir, las condiciones externas al material. Los hombres comenzaron utilizando primero aquellos materiales que liberan parte de su energía en condiciones (temperatura y presión) más fáciles de obtener. Estos materiales, que se pueden encender fácilmente, se llaman combustibles. El proceso por el cual liberan parte de su energía se llama combustión. La combustión es, en esencia, una reacción de unas moléculas largas y complejas con el oxígeno, a fin producir unas moléculas simples, más luz y calor.

→ Al hacer las cuentas de la energía contenida inicialmente en el combustible y compararla con la contenida en la luz, el calor, las cenizas y los humos (es decir, al hacer un balance térmico), se encontró que las dos cantidades son siempre iguales. La energía se conserva constante.

→ Este descubrimiento llevó a muchos hombres a intentar construir máquinas que pudieran producir trabajo y que se mantuvieran siempre en movimiento. El "demonio de Maxwell" constituye un ejemplo de propuesta.

→ Ocurre, sin embargo, que la posibilidad de extraer energía útil no depende tanto de la cantidad de energía, sino de la forma como está organizada. Siempre debe haber un desequilibrio para que pueda usarse la energía contenida en la materia. Pero (¿recuerda tantos "peros"?) el uso de una cantidad de energía termina siempre en un mayor equilibrio, en un mayor desorden, en una menor posibilidad de utilizar esa energía.

→ Tal dificultad condujo a que los hombres buscaran nuevos procesos para utilizar otras formas de energía presente en la materia. Diez veces más escondida en la materia que la energía química de la combustión, se encuentra la energía electromagnética.

→ Pero todavía hay posibilidades de emplearla mejor, particularmenteusando la energía procedente del sol como fuente del desequilibrio que se necesita para mover los electrones.

→ Diez mil veces más escondida en la estructura interna de la materia que la energía electromagnética se halla la energía nuclear. Apenas estamos aprendiendo cómo se maneja esta forma de energía.

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¿POR QUÉ ES IMPORTANTE EL USO

RACIONAL DE ENERGÍA?

uando en nuestras vacaciones nos reunimos otra vez con el hombre de barba blanca, ya habíamos aprendido en el colegio otras cosas sobre la energía. Entonces él nos dijo que con estos conocimientos ahora sí podríamos entender por qué hay que aprovechar la energía con sabiduría. Que entenderíamos por qué en estos días se está hablando tanto de Uso Racional de Energía

Recordemos ― nos dijo el amigo―, cuando nos quedamos varados en aquella isla, sin poder emplear energía para todas aquellas cosas que tenemos en la casa. Ustedes se sintieron incómodos y disgustados ¿verdad? En ese momento se dieron cuenta de lo grandioso que es disponer de energía y usarla para hacer la vida cómoda.

Pero a cuántos de ustedes se les ha ocurrido pensar: ¿de dónde procede la energía que usamos en la casa?

Para responder a esta pregunta vamos por partes. Pensemos primero: si hubiéramos tenido un televisor en aquella isla, ¿por qué no hubiéramos podido hacerlo funcionar?, nos pregunta el hombre de barba.

― Porque allí no habían enchufes, ni pilas, ni nada que le diera corriente al televisor ― contestamos los muchachos, como quien sabe mucho.

― Bien ― dijo el hombre de barba blanca ―, pero ese enchufe o esa pila representan el fin de un camino. Un camino que ha comenzado a recorrer la energía desde una fuente. Fuente de energía se le llama a ciertos materiales o fenómenos de la naturaleza de los que tomamos energía: leña, carbón, viento, vapor de agua, petróleo...

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En estos días la mitad de la energía que usamos proviene de sólo dos fuentes, el carbón y el petróleo. Otras que hoy aprovecha el hombre son el gas natural y los materiales radiactivos. Estas fuentes sólo pueden emplearse una sola vez, y se necesitan miles de años para que se formen de nuevo. Es por ésto que se les llama fuentes no renovables.

― ¿Entonces nos vamos a quedar sin fuentes de energía? ¿Cuándo se acabarán? ― preguntaron algunos muy preocupados.

― No se sabe a ciencia cierta hasta cuando durarán las reservas de fuentes no renovables de que dispone en este momento nuestro planeta. Pero por fortuna hay alternativas ― nos tranquilizó el amigo.

Hay fuentes de energía que no se agotan, por lo que pueden emplearse una y otra vez. A éstas se les llama fuentes renovables, y son el calor y la luz del sol, el viento, las mareas, la energía del centro de la Tierra y las caídas de agua, principalmente.

― ¡Caramba! Ahora estamos utilizando las fuentes no renovables. Deberíamos usar las otras ― dijo uno de los muchachos que había permanecido callado.

― ¿ Y para qué necesitamos utilizar tanta energía? ―interrumpió otro.

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-- El cuento "Un largo camino", aquél que narramos en la isla, nos ayudó a saber ésto. ¿Lo recuerdan?

―Usamos energía para producir alimentos, dijimos casi en coro. Y, además, añade el hombre, la energía que obtenemos de los alimentos la empleamos para nuestra actividad diaria. ¿Para qué más usamos la energía? ―nos preguntó.

― Para transportarnos más rápidamente de un lugar a otro ―contesta una niña.

― ¡Claro!, hoy usamos sobre todo petróleo para obtener gasolina que suministra la energía con la que se mueven los carros y los aviones. La electricidad ayuda a mover otros medios de transporte, como los trenes, y nos permite comunicarnos con gente en lugares distantes. ¿Para qué más necesitamos energía? ― pregunta nuestro amigo, sonriendo.

― En las fábricas, para hacer las cosas que necesitamos, como vestidos, zapatos, televisores, computadoras y todos los demás aparatos que funcionan con electricidad ― contestaron los muchachos más grandes.

―También para alumbrar las casas y las calles por las noches ― dice otro de los muchachos.

― Bien -- asiente el hombre de barba ―. Estas son las principales formas como utilizamos energía. Ahora que ya conocemos las fuentes y las principales formas como usamos energía, nos queda pendiente algo muy

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importante. ¿Qué sucede entre la fuente de energía que está ahí en la naturaleza y la energía que podemos usar? Porque en la casa no usamos un trozo de carbón, o una porción de petróleo ...

― ¡Ya!, volvemos a la pregunta inicial: ¿cómo llega la electricidad a los enchufes de las casas? ― dice uno de los muchachos.

―¿Recuerdan que los seres vivos se reparten la energía que procede del sol, por medio de un tejido o red que se llama cadena alimentaria?

También para repartir la energía de las fuentes que están ahí en la naturaleza entre muchas casas y sitios de trabajo, ha sido necesario construir redes artificiales.

― ¿Y esas redes son de seres vivos? ― pregunta uno de los muchachos más pequeños.

― No, están formadas por cosas, sobre todo por máquinas y cables.

― ¿Cómo así?, ¿Cómo es éso? ― preguntamos todos al mismo tiempo.

― Veamos un ejemplo ― responde el hombre de barba blanca ― para que no se enreden en esta red. Volvamos otra vez a la pregunta: ¿cómo llega la electricidad a los enchufes de la casa?

La manera más común como ésto sucede en la actualidad es la siguiente:

Se comienza con un combustible fósil (carbón, petróleo, gas) para calentar agua y producir vapor.

El vapor impulsa una turbina y ésta mueve un generador. El generador es una máquina que convierte energía de movimiento en energía eléctrica. ¿Recuerdan que ya saben algo de cómo funciona el generador?

Luego, esta energía eléctrica, de alto voltaje, es transmitida a través de cables hasta subestaciones donde es transformada en energía eléctrica de bajo voltaje. Desde allí es distribuida por medio de subredes hasta los hogares y sitios de trabajo.

En algunos casos, en lugar del vapor, lo que mueve las turbinas es la energía de las caídas de agua. A este sistema se le llama hidroeléctrico.

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¿Comprenden, entonces, que por una red artificial circula la energía desde la fuente y que esta red distribuye la energía hasta nuestras casas?

Ya en las casas, esa energía la usamos para mover varios aparatos, los electrodomésticos, que nos hacen la vida más fácil.

― Aquí viene un aspecto importante del uso racional de energía ― continuó el hombre de barba blanca con seriedad. Resulta que hay electrodomésticos más eficientes que otros ¿Recuerdan que la eficiencia es una medida de qué tanto aprovecha un aparato la energía que se le suministra? Pues en el mejor de los casos, los hornos eléctricos tienen una eficiencia del 18 por ciento. Esto quiere decir que, de 100 unidades de energía que le entran al horno, apenas 18 se emplean en hornear los alimentos y el resto se pierde.

― ¡Uy! ―, interrumpió una de las niñas. Entonces hacer una torta en casa sale muy cara, es mejor comprarla.

― ¿Y el calentador?, preguntó uno de los muchachos muy preocupado. -- ¿Tenemos que bañarnos con agua fría?

― El calentador eléctrico tiene una eficiencia aproximada del 85 por ciento, respondió el de barba. Pero hay otras formas mejores de calentar agua. En los techos de muchas casas en varios países se están colocado calentadores solares en los que se concentra el calor del sol. El calor de estos colectores solares calienta el agua que se utiliza en esos hogares.

Además ― continuó el hombre de barba blanca―, el problema no está solamente en las fuentes de energía que estamos usando hoy en día. También está en la manera como la consumimos.

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En los últimos años ha aumentado mucho el consumo. La mayoría de la gente quiere seguir un estilo de vida en el que se emplea demasiada energía. Y sobre todo, los procesos para fabricar lo que necesitamos, cosas y artefactos, consumen mucha energía, o sea, no son muy eficientes. Además, luego se utiliza más energía en los hogares para poner a funcionar estos artefactos.

Bueno, hay que reconocer que algunos de estos artefactos han brindado muchas mejoras en nuestras vidas, pero otros no parecen ser tan necesarios.

Este es otro aspecto del uso racional de energía. En nuestras casa podemos contribuir a mejorar la manera como consumimos energía, no sólo emplenado aparatos más eficientes, sino también viendo cuáles de verdad son necesarios y cuales no.

Pero sobre todo, no encendiendo muchos aparatos a la vez en las horas pico.

―¿Horas pico?, y ¿ eso tiene que ver con mi lorito? ― se apresuró a decir el más pequeñito.

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― No, de ninguna manera, lo tranquilizó el hombre de barba. Resulta que hay una hora, que en nuestro país es las 7 de la noche, en la que en una gran cantidad de hogares se encienden bombillas y otros electrodomésticos al tiempo.

―¡ Claro!, comentó una de las niñas más grandes. Es la hora de calentar la comida, de hacer tareas o de ver televisión.

― Si, es verdad― asintió el hombre―, pero también hay quienes prenden el equipo de sonido junto con el televisor; encienden todas las bombillas de la casa; si tienen lavadora eléctrica la ponen a funcionar mientras cocinan en una estufa eléctrica...

― ¿Y eso qué importa?, volvió a interrumpir la niña, casi como en desafío.

― Pues que la empresa de energía eléctrica debe comprar máquinas costosas para suministrar toda la demanda de energía que se consume en esa hora pico, pero que en otras horas, que son la mayor parte de cada día, no son necesarias. Así pues, deben gastar mucho dinero en comprar generadores de energía que apenas se utilizan unas cuantas horas cada día.

― Ah, ya entendemos.

Mirándonos afectuosamente continuó diciendo el de barba: ― Pero volvamos al ciclo artificial de que hablabamos antes, ese que nos lleva la energía a nuestros hogares. Ya no se trata del ciclo de energía entre los seres vivos y el ambiente, sino de un ciclo entre cosas y el medio ambiente.

― Nos hemos copiado de la naturaleza ― dice un muchacho, como si recordara algo.

― ¡Ah! Pero hay una diferencia muy importante entre el ciclo natural y el ciclo artificial creado por los hombres. Es una diferencia que debemos conocer.

En el ciclo natural la energía y la materia se mueven entre el ciclo de la vida y el medio ambiente natural, y desde el medio ambiente vuelven al ciclo de la vida. El movimiento entre los ciclos del medio ambiente y el ciclo de la vida se llama ciclaje.

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Por la acción del hombre sobre la naturaleza, por la construcción de estos ciclos artificiales, alguna energía y materia salen de los ciclos naturales. En algunos casos esta materia y energía pueden volver a incorporarse normalmente en estos ciclos. Este proceso se llama reciclaje. Es lo que ocurre cuando abonamos la tierra con desperdicios de los frutos cultivados.

Sin embargo, otras veces tal incorporación sólo será posible después de mucho tiempo, inclusive siglos, como sucede con algunos materiales plásticos fabricados a partir del petróleo.

En la construcción del entorno artificial, se han alterado los ciclos de la naturaleza y se han depositado tal cantidad de desechos y basuras al medio ambiente que han resultado afectados los seres vivos.

Ya podemos entender muy bien que si se afecta una parte del tejido, o sea, el medio ambiente, sufre también la otra parte del tejido que formamos todos los seres vivos.

― ¿Y qué tienen que ver con ésto las fuentes de energía que estamos utilizando? -- pregunta el hombre de blanca barba.

Luego de un prolongado silencio, debió él mismo responder esta pregunta tan complicada, pues ninguno de nosotros pudo hacerlo.

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― Examinemos cómo las fuentes que hoy usamos afectan al medio ambiente.

La quema de combustibles fósiles ha concentrado gran cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera, además de otras sustancias tóxicas que han alterado sobre todo los ciclos del carbono y el oxígeno. De muchas maneras se ha visto afectado el clima de la tierra.

Se sabe ya que la contaminación de la atmósfera con tantas partículas de materia tóxicas está causando el calentamiento de nuestro planeta y, además, muchas enfermedades a los seres vivos.

― ¿Enfermedades, también a nosotros? ― preguntaron algunos.

― Espero que a ustedes no. Pero ya se ha podido comprobar que en otros seres vivos se presentan enfermedades de los pulmones y la piel, principalmente.La gran cantidad de abonos químicos y además los venenos que se aplican contra las plagas en los cultivos también están dejando residuos en los suel os y el agua. Muchos de ellos se quedan en los alimentos y van a parar a los tejidos de los seres vivos.

Las centrales de generación eléctrica que emplean combustibles fósiles, además de los problemas que ocasiona su quema en la atmósfera, presentan otros inconvenientes. Es algo que tiene que ver con la eficiencia en el uso de energía.

― Resulta que las plantas de generación eléctrica más eficientes hasta el momento convierten un poco menos de la mitad (40 por ciento) del calor que producen los combustibles fósiles en energía eléctrica. Esto significa que más de la mitad (60 por ciento) del calor se desperdicia. Pero ese calor que no puede aprovecharse tiene que ir a parar a algún lado. ¿Adónde creen ustedes que va? --. nos pregunta nuestro amigo maestro.

― Pues a un sitio más frio ― respondimos algunos.

― El lugar más frío es el agua que hay en las centrales o plantas de generación. Esta agua que se ha calentado va a parar a los ríos y lagunas más cercanas a la central. El agua caliente que llega allí afecta profundamente la vida acuática. Los desequilibrios causados por el calor sobrante en los usos de la energía es lo que se ha llamado contaminación térmica.

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Pero no sólo hay problemas con la generación de electricidad con combustibles fósiles. Las represas para las hidroeléctricas cubren valiosa tierra agrícola. Además, en climas secos el agua se evapora de la superficie de los embalses y se desperdician así grandes cantidades de agua. Las represas y embalses desequilibran ciclos naturales y de vida animal, lo que resulta en proliferación de organismos indeseables.

Igual que ocurre con el calor sobrante sucede con una gran cantidad de materiales y sustancias tóxicas. Algunos, como ya vimos, por sí solos se dirigen hacia la atmósfera, hacia las aguas o se depositan en los suelos, de forma que no los vemos. Los desechos que no se acomodan por sí mismos nadie sabe donde dejarlos, pues son tan dañinos que todo el mundo los teme y rechaza.

Hace poco un barco cargado con desechos radiactivos anduvo de aquí para allá tratando de deshacerse de este material. Durante todo este tiempo, otra embarcación, en la que iban personas que defienden el medio ambiente, persiguió al barco que llevaba la peligrosa carga, tratando de evitar que la arrojaran al mar.

― Parece un nuevo cuento de piratas ― se le ocurrió decir al más pequeñito.

― Pero en alguna parte tenían que poner este material radia... ― dijo uno de los muchachos sin lograr pronunciar la palabra.

― Y lo peor es que casi nunca se nos informa dónde terminan depositados esos materiales indeseados, anotó el hombre de barba.

― ¡Uf!, más bien parece un cuento de terror ― dice con razón uno de los muchachos a mi lado.

― En medio de este daño al medio ambiente y ante el mal uso de la energía y, además, frente a la confusión entre lo que son necesidades de verdad y necesidades imaginadas, ¿qué podemos hacer? ― preguntamos entre varios, con mucha preocupación.

― No se sientan desalentados y tristes ― nos consoló el amigo ―, ya vimos algunas de la formas en que podemos contribuir. Pero también, nuestro planeta Tierra todavía puede sonreír. Hay maneras de corregir y hacer las cosas mejor.

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Además de nuestra contribución desde nuestros hogares, hay algunas fuentes alternativas de energía que nos ofrece la naturaleza y que podríamos aprovechar sin causarle daño al medio ambiente ni a los seres vivos.

Algunas de las principles fuentes alternativas son la luz y el calor que provienen del sol, la fuerza de las mareas y del viento y la energía que llega desde el centro de la Tierra.

― Pero ¿cómo podríamos utilizar la energía del sol, el viento, las mareas y el centro de la Tierra? ― preguntamos muy intrigados.

― Para éllo se necesita desarrollar tecnología. Algunas tecnologías para aprovechar las fuentes alternativas de energía ya existen y en unos cuantos casos se están empleando, como sucede con la energía solar.

Ahora que sabemos acerca de fuentes de energía alternativas a las que hoy están contaminando, lo que sigue es corregir la forma como se consume energía.

Desde las épocas remotas en que los hombres empleaban la fuerza de sus músculos para cazar animales hasta hoy, muchos seres humanos han dejado en desuso sus músculos y pretenden que todo lo hagan por ellos los artefactos.

― Y algunos en desuso sus cerebros ― comentaron algunos riendo.

― Se escucha con frecuencia que los problemas los han causado otros. Los que están empleando en grandes cantidades energía de fuentes que contaminan ― comentaron los muchachos mayores.

― Eso es cierto. Los países en los que hay muchas y muy grandes industrias son los que más consumen energía y, por lo mismo, los que más contaminación están causando ― responde nuestro amigo barba blanca, y añade:

Sin embargo, ésto no deja de lado nuestra responsabilidad. Desde ahora, con los conocimientos que hemos logrado acerca de la energía, formaremos parte de ese grupo de personas concientes, grupo cada vez más grande, que en el mundo se esfuerza por lograr mejores formas de aprovechar la energía.