Energía

El término energía (del griego ἐνέργεια/energeia, actividad, operación; ἐνεργóς/energos = fuerza de acción o fuerza trabajando) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.
En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico.

El concepto de energía en física

Mecánica clásicaEn física clásica, la ley universal de conservación de la energía —que es el fundamento del primer principio de la termodinámica—, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el tiempo. Eso significa que para multitud de sistemas físicos clásicos la suma de la energía mecánica, la energía calorífica, la energía electromagnética, y otros tipos de energía potencial es un número constante. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica en función del movimiento de la materia, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella, la energía térmica según el estado termodinámico, y la energía química según la composición química.
Mecánica cuánticaSin embargo, debe tenerse en cuenta que según la teoría de la relatividad la energía definida según la mecánica clásica no se conserva constante, sino que lo que se conserva en es la masa-energía equivalente. Es decir, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, poseen una energía adicional equivalente a
scriptstyle E = mc^2
scriptstyle E = mc^2
, y si se considera el principio de conservación de la energía esta energía debe ser tomada en cuenta para obtener una ley de conservación (naturalmente en contrapartida la masa no se conserva en relatividad, sino que la única posibilidad para una ley de conservación es contabilizar juntas la energía asociada a la masa y el resto de formas de energía).
Su expresión matemáticaLa energía es una propiedad de los sistemas físicos, no es un estado físico real, ni una "sustancia intangible". En mecánica clásica se representa como una magnitud escalar. La energía es una abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo. En problemas relativistas la energía de una partícula no puede ser representada por un escalar invariante, sino por la componente temporal de un cuadrivector energía-momento (cuadrimomento), ya que diferentes observadores no miden la misma energía si no se mueven a la misma velocidad con respecto a la partícula. Si se consideran distribuciones de materia continuas, la descripción resulta todavía más complicada y la correcta descripción de la cantidad de movimiento y la energía requiere el uso del tensor energía-impulso.
Se utiliza como una abstracción de los sistemas físicos por la facilidad para trabajar con magnitudes escalares, en comparación con las magnitudes vectoriales como la velocidad o la aceleración. Por ejemplo, en mecánica, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial, que componen la energía mecánica, que en la mecánica newtoniana tiene la propiedad de conservarse, es decir, ser invariante en el tiempo.
Matemáticamente, la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema de Noether.

Energía en diversos tipos de sistemas físicos

La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas, está involucrada en todos los procesos de cambio de estado físico, se transforma y se transmite, depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva.[1[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa#cite_note-0|]]] Por lo tanto, todo cuerpo es capaz de poseer energía en función de su movimiento, posición, temperatura, masa, composición química, y otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, todas coherentes y complementarias entre sí, y todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.

Física clásica

En la mecánica se encuentran:
En electromagnetismo se tiene a la:
En la termodinámica están:

Física relativista

En la relatividad están:
Al redefinir el concepto de masa, también se modifica el de energía cinética (véase relación de energía-momento).

Física cuántica

En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además de la energía asociadas a la materia ordinaria o campos de materia, en física cuántica aparece la:

Química

En química aparecen algunas formas específicas no mencionadas anteriormente:
Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular (véase Ruta metabólica).===Energía potencial===
Artículo principal: Energía potencial
Es la energía que se le puede asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de su posición o de su configuración. Si en una región del espacio existe un campo de fuerzas conservativo, la energía potencial del campo en el punto (A) se define como el trabajo requerido para mover una masa desde un punto de referencia (nivel de tierra) hasta el punto (A). Por definición el nivel de tierra tiene energía potencial nula. Algunos tipos de energía potencial que aparecen en diversos contextos de la física son:
  • La energía potencial gravitatoria asociada a la posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (en el contexto de la mecánica clásica). La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio constante viene dada por:
    E_p = mgh,
    E_p = mgh,
    donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de energía potencial.
  • La energía potencial electrostática V de un sistema se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación:
    mathbf{E} = - operatorname{grad} V
    mathbf{E} = - operatorname{grad} V
siendo E el valor del campo eléctrico.
  • La energía potencial elástica asociada al campo de tensiones de un cuerpo deformable.
La energía potencial puede definirse solamente cuando existe un campo de fuerzas que es conservativa, es decir, que cumpla con alguna de las siguientes propiedades:
  1. El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos es independiente del camino recorrido.
  2. El trabajo realizado por la fuerza para cualquier camino cerrado es nulo.
  3. Cuando el rotor de F es cero (sobre cualquier dominio simplemente conexo).
Se puede demostrar que todas las propiedades son equivalentes (es decir que cualquiera de ellas implica la otra). En estas condiciones, la energía potencial en un punto arbitrario se define como la diferencia de energía que tiene una partícula en el punto arbitrario y otro punto fijo llamado "potencial cero".

Energía cinética de una masa puntual

La energía cinética es un concepto fundamental de la física que aparece tanto en mecánica clásica, como mecánica relativista y mecánica cuántica. La energía cinética es una magnitud escalar asociada al movimiento de cada una de las partículas del sistema. Su expresión varía ligeramente de una teoría física a otra. Esta energía se suele designar como K, T o Ec.
El límite clásico de la energía cinética de un cuerpo rígido que se desplaza a una velocidad v viene dada por la expresión:
  • E_c = {1 over 2} mv^2
    E_c = {1 over 2} mv^2
Una propiedad interesante es que esta magnitud es extensiva por lo que la energía de un sistema puede expresarse como "suma" de las energía de partes disjuntas del sistema. Así por ejemplo puesto que los cuerpos están formados de partículas, se puede conocer su energía sumando las energías individuales de cada partícula del cuerpo.

Magnitudes relacionadas

La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Energía y trabajo son equivalentes y, por tanto, se expresan en las mismas unidades. El calor es una forma de energía, por lo que también hay una equivalencia entre unidades de energía y de calor. La capacidad de realizar un trabajo en una determinada cantidad de tiempo es la potencia.

Transformación de la energía

Para la optimización de recursos y la adaptación a nuestros usos, necesitamos transformar unas formas de energía en otras. Todas ellas se pueden transformar en otra cumpliendo los siguientes principios termodinámicos:
  • La energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma”. De este modo, la cantidad de energía inicial es igual a la final.
  • La energía se degrada continuamente hacia una forma de energía de menor calidad (energía térmica)”. Dicho de otro modo, ninguna transformación se realiza con un 100% de rendimiento, ya que siempre se producen unas pérdidas de energía térmica no recuperable. El rendimiento de un sistema energético es la relación entre la energía obtenida y la que suministramos al sistema.

Unidades de medida de energía

La unidad de energía definida por el Sistema Internacional de Unidades es el julio, que se define como el trabajo realizado por una fuerza de un newton en un desplazamiento de un metro en la dirección de la fuerza, es decir, equivale a multiplicar un Newton por un metro. Existen muchas otras unidades de energía, algunas de ellas en desuso.
Nombre
Abreviatura
Equivalencia en julios
Caloría
cal
4,1855
Frigoría
fg
4.185,5
Termia
th
4.185.500
Kilovatio hora
kWh
3.600.000
Caloría grande
Cal
4.185,5
Tonelada equivalente de petróleo
Tep
41.840.000.000
Tonelada equivalente de carbón
Tec
29.300.000.000
Tonelada de refrigeración
TR
3,517/h
Electronvoltio
eV
1.602176462 × 10-19
British Thermal Unit
BTU o BTu
1.055,05585
Caballo de vapor por hora[2[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa#cite_note-1|]]]
CVh
3,777154675 × 10-7
Ergio
erg
1 × 10-7
Pie por libra (Foot pound)
ft × lb
1,35581795
Foot-poundal[3[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa#cite_note-2|]]]
ft × pdl
4,214011001 × 10-11

La energía como recurso natural

En tecnología y economía, una fuente de energía es un recurso natural, así como la tecnología asociada para explotarla y hacer un uso industrial y económico del mismo. La energía en sí misma nunca es un bien para el consumo final sino un bien intermedio para satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios. Al ser un bien escaso, la energía es fuente de conflictos para el control de los recursos energéticos.
Es común clasificar las fuentes de energía según incluyan el uso irreversible o no ciertas materias primas, como combustibles o minerales radioactivos. Según este criterio se habla de dos grandes grupos de fuentes de energía explotables tecnológicamente:
Energías renovables:

1Energía eólica

external image 280px-Spargel_4106.JPGexternal image magnify-clip.png
Parque eólico. Hamburgo, Alemania.
external image 350px-Caracoles.pngexternal image magnify-clip.png
Parque eólico de Sierra de los Caracoles, Uruguay.
Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas útiles para las actividades humanas.
El término eólico viene del latín Aeolicus, perteneciente o relativo a Eolo, dios de los vientos en la mitología griega. La energía eólica ha sido aprovechada desde la antigüedad para mover los barcos impulsados por velas o hacer funcionar la maquinaria de molinos al mover sus aspas.
En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir energía eléctrica mediante aerogeneradores. A finales de 2007, la capacidad mundial de los generadores eólicos fue de 94.1 gigavatios.[1[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-gwec-0|]]] En 2009 la eólica generó alrededor del 2% del consumo de electricidad mundial, cifra equivalente a la demanda total de electricidad en Italia, la séptima economía mayor mundial.[2[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-1|]]] En España la energía eólica produjo un 11% del consumo eléctrico en 2008,[3[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-Informe_2008-2|]]] [4[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-3|]]] y un 13.8% en 2009.[5[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-4|]]] En la madrugada del domingo 8 de noviembre de 2009, más del 50% de la electricidad producida en España la generaron los molinos de viento, y se batió el récord total de producción, con 11.546 megavatios eólicos.[6[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-Graber2005-5|]]]
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Sin embargo, el principal inconveniente es su intermitencia.

Cómo se produce y obtiene

La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión.
Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. De día, las masas de aire sobre los océanos, los mares y los lagos se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales.
Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.
external image 350px-Turbiny_wiatrowe_ubt.jpegexternal image magnify-clip.png
Parque eólico.
Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cut-out speed".
La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador.
En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores. En estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos.
Un molino es una máquina que transforma el viento en energía aprovechable, que proviene de la acción de la fuerza del viento sobre unas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria para moler grano, bombear agua o generar electricidad. Cuando el eje se conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de molino de viento. Si se usa para producir electricidad se le denomina generador de turbina de viento. Los molinos tienen un origen remoto.

[editar] Historia

La energía eólica no es algo nuevo, es una de las energías más antiguas junto a la energía térmica. El viento como fuerza motriz existe desde la antigüedad y en todos los tiempos ha sido utilizado como tal, como podemos observar. Tiene su origen en el sol. Así, ha movido a barcos impulsados por velas o ha hecho funcionar la maquinaria de los molinos al mover sus aspas. Pero, fue a partir de los ochenta del siglo pasado, cuando este tipo de energía limpia sufrió un verdadero impulso. La energía eólica crece de forma imparable a partir del siglo XXI, en algunos países más que en otros, pero sin duda alguna en España existe un gran crecimiento, siendo uno de los primeros países por debajo de Alemania a nivel europeo o de Estados Unidos a escala mundial. Su auge en parques eólicos es debido a las condiciones tan favorables que existe de viento, sobre todo en Andalucía que ocupa un puesto principal, entre los que se puede destacar el Golfo de Cádiz, ya que el recurso de viento es excepcional.

[editar] Los primeros molinos

La referencia más antigua que se tiene es un molino de viento que fue usado para hacer funcionar un órgano en el siglo I era común.[7[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-6|]]] Los primeros molinos de uso práctico fueron construidos en Sistán, Afganistán, en el siglo VII. Estos fueron molinos de eje vertical con hojas rectangulares.[8[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-7|]]] Aparatos hechos de 6 a 8 velas de molino cubiertos con telas fueron usados para moler trigo o extraer agua.

Producción por países

Capacidad total de energía eólica instalada
(fin de año y últimas estimaciones)[11[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-wwindea-10|]]]


Capacidad (MW)
Posición
País
2009[12[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-11|]]]
2008[13[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-12|]]]
2006[14[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-13|]]]
2005
2004
1
EE.UU.
32.919
25.170
11.603
9.149
6.725
2
Alemania
25.030
23.903
20.622
18.428
16.628
3
China
20.000
12.210
2.405
1.260
764
4
España
(13%) 18.263[15[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-14|]]]
16.754
11.730
10.028
8.504
5
India
10.742
9.654
6.270
4.430
3.000
6
Francia
4.655
3.404
1.567
757
386
7
Italia
4.547
3.736
2.123
1.717
1.265
8
Reino Unido
4.015
3.241
1.963
1.353
888
9
Dinamarca
(20%) 3.384
3.180
3.136
3.128
3.124
10
Portugal
(15%) 3.374
2.862
1.716
1.022
522
11
Canadá
3.301





12
Países Bajos
2.220





13
Japón
1.980





14
Australia
1.494





15
Grecia
1.062





16
Suecia
1.021





17
Irlanda
1.002





18
Austria
995





19
Turquía
635





20
Brasil
634






Total mundial
140.951
120.791
73.904
58.982
47.671
external image 450px-Totalcapacityworld2009.jpgexternal image magnify-clip.png
Capacidad eólica mundial total instalada 2001-2010 [MW]. Fuente: WWEA e.V.
Existe una gran cantidad de aerogeneradores operando, con una capacidad total de 159.213 MW, de los que Europa cuenta con el 47,9% (2009). EE.UU. y China, juntos, representaron 38,4% de la capacidad eólica global. Los cinco países (EE.UU., China, Alemania, España e India) representaron 72,9% de la capacidad eólica mundial en 2009, ligeramente mayor que 72,4% de 2008. La Asociación Mundial de Energía Eólica (World Wind Energy Association) anticipa que una capacidad de 200.000 MW será superada en el 2010.[16[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-15|]]]
En 2006, la instalación de 7,588 MW en Europa supuso un incremento del 23% respecto a la de 2005.[17[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-16|]]]
Alemania, España, Estados Unidos, India y Dinamarca han realizado las mayores inversiones en generación de energía eólica. Dinamarca es, en términos relativos, la más destacada en cuanto a fabricación y utilización de turbinas eólicas, con el compromiso realizado en los años 1970 de llegar a obtener la mitad de la producción de energía del país mediante el viento. Actualmente genera más del 20% de su electricidad mediante aerogeneradores, mayor porcentaje que cualquier otro país, y es el quinto en producción total de energía eólica, a pesar de ser el país número 56 en cuanto a consumo eléctrico.[18[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-17|]]]

[external image 350px-Parque_e%C3%B3lico_de_paramo.jpg

external image magnify-clip.png
Parque Eólico "El Páramo", Alfoz de Quintanadueñas, España.
external image 220px-Parqueeolicodelanjaron.JPGexternal image magnify-clip.png
Parque eólico, con la ciudad de Lanjarón, Granada, España, al fondo.

Energía eólica en Latinoamérica

El desarrollo de la energía eólica en Latinoamérica está en sus comienzos, llegando la capacidad conjunta instalada en estos países a los 769 MW (datos de septiembre de 2009).[30[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-29|]]] A fecha de 2009, el desglose de potencia instalada por países y su porcentaje sobre el total de cada país es el siguiente:[31[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica#cite_note-30|]]]
external image 400px-La_venta_-_Mexico.jpgexternal image magnify-clip.png
Parque Eólico La Venta ubicado en Oaxaca, México.

Ventajas de la energía eólica

  • Es un tipo de energía renovable ya que tiene su origen en procesos atmosféricos debidos a la energía que llega a la Tierra procedente del Sol.
  • Es una energía limpia ya que no produce emisiones atmosféricas ni residuos contaminantes.
  • No requiere una combustión que produzca dióxido de carbono (CO2), por lo que no contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climático.
  • Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas desérticas, próximas a la costa, en laderas áridas y muy empinadas para ser cultivables.
  • Puede convivir con otros usos del suelo, por ejemplo prados para uso ganadero o cultivos bajos como trigo, maíz, patatas, remolacha, etc.
  • Crea un elevado número de puestos de trabajo en las plantas de ensamblaje y las zonas de instalación.
  • Su instalación es rápida, entre 4 meses y 9 meses
  • Su inclusión en un sistema ínter ligado permite, cuando las condiciones del viento son adecuadas, ahorrar combustible en las centrales térmicas y/o agua en los embalses de las centrales hidroeléctricas.
  • Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la solar, permite la autoalimentación de viviendas, terminando así con la necesidad de conectarse a redes de suministro, pudiendo lograrse autonomías superiores a las 82 horas, sin alimentación desde ninguno de los 2 sistemas.
  • La situación actual permite cubrir la demanda de energía en España un 30% debido a la múltiple situación de los parques eólicos sobre el territorio, compensando la baja producción de unos por falta de viento con la alta producción en las zonas de viento. Los sistemas del sistema eléctrico permiten estabilizar la forma de onda producida en la generación eléctrica solventando los problemas que presentaban los aerogeneradores como productores de energía al principio de su instalación.
  • Posibilidad de construir parques eólicos en el mar, donde el viento es más fuerte, más constante y el impacto social es menor, aunque aumentan los costes de instalación y mantenimiento. Los parques offshore son una realidad en los países del norte de Europa, donde la generación eólica empieza a ser un factor bastante importante.

Inconvenientes de la energía eólica

Aspectos técnicos

Debido a la falta de seguridad en la existencia de viento, la energía eólica no puede ser utilizada como única fuente de energía eléctrica. Por lo tanto, para salvar los "valles" en la producción de energía eólica es indispensable un respaldo de las energías convencionales (centrales de carbón o de ciclo combinado, por ejemplo, y más recientemente de carbón limpio). Sin embargo, cuando respaldan la eólica, las centrales de carbón no pueden funcionar a su rendimiento óptimo, que se sitúa cerca del 90% de su potencia. Tienen que quedarse muy por debajo de este porcentaje, para poder subir sustancialmente su producción en el momento en que afloje el viento. Por tanto, en el modo "respaldo", las centrales térmicas consumen más combustible por kW/h producido. También, al subir y bajar su producción cada vez que cambia la velocidad del viento, se desgasta más la maquinaría. Este problema del respaldo en España se va a tratar de solucionar mediante una interconexión con Francia que permita emplear el sistema europeo como colchón de la variabilidad eólica.
external image Windaltamont-cr.jpgexternal image magnify-clip.png
Parque eólico en Tehachapi Pass, California.
Además, la variabilidad en la producción de energía eólica tiene 2 importantes consecuencias:
  • Para evacuar la electricidad producida por cada parque eólico (que suelen estar situados además en parajes naturales apartados) es necesario construir unas líneas de alta tensión que sean capaces de conducir el máximo de electricidad que sea capaz de producir la instalación. Sin embargo, la media de tensión a conducir será mucho más baja. Esto significa poner cables 4 veces más gruesos, y a menudo torres más altas, para acomodar correctamente los picos de viento.
  • Es necesario suplir las bajadas de tensión eólicas "instantáneamente" (aumentando la producción de las centrales térmicas), pues sino se hace así se producirían, y de hecho se producen apagones generalizados por bajada de tensión. Este problema podría solucionarse mediante dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica. Pero la energía eléctrica producida no es almacenable: es instantáneamente consumida o perdida.
Además, otros problemas son:
  • Técnicamente, uno de los mayores inconvenientes de los aerogeneradores es el llamado hueco de tensión. Ante uno de estos fenómenos, las protecciones de los aerogeneradores con motores de jaula de ardilla se desconectan de la red para evitar ser dañados y, por tanto, provocan nuevas perturbaciones en la red, en este caso, de falta de suministro. Este problema se soluciona bien mediante la modificación de la aparamenta eléctrica de los arogeneradores, lo que resulta bastante costoso, bien mediante la utilización de motores síncronos aunque es bastante más fácil asegurarse de que la red a la que se va a conectar sea fuerte y estable.
  • Uno de los grandes inconvenientes de este tipo de generación, es la dificultad intrínseca de prever la generación con antelación. Dado que los sistemas eléctricos son operados calculando la generación con un día de antelación en vista del consumo previsto, la aleatoriedad del viento plantea serios problemas. Los últimos avances en previsión del viento han mejorado muchísimo la situación, pero sigue siendo un problema. Igualmente, grupos de generación eólica no pueden utilizarse como nudo oscilante de un sistema.
  • Además de la evidente necesidad de una velocidad mínima en el viento para poder mover las aspas, existe también una limitación superior: una máquina puede estar generando al máximo de su potencia, pero si el viento aumenta lo justo para sobrepasar las especificaciones del aerogenerador, es obligatorio desconectar ese circuito de la red o cambiar la inclinación de las aspas para que dejen de girar, puesto que con viento de altas velocidades la estructura puede resultar dañada por los esfuerzos que aparecen en el eje. La consecuencia inmediata es un descenso evidente de la producción eléctrica, a pesar de haber viento en abundancia, y otro factor más de incertidumbre a la hora de contar con esta energía en la red eléctrica de consumo.
Aunque estos problemas parecen únicos a la energía eólica, son comunes a todas las energías de origen natural:
  • Un panel solar sólo producirá potencia mientras haya suficiente luz solar.
  • Una central hidráulica de represa sólo podrá producir mientras las condiciones hídricas y las precipitaciones permitan la liberación de agua.
  • Una central maremotriz sólo podrá producir mientras la actividad acuática lo permita.

2Energía geotérmica

external image 350px-Puhagan_geothermal_plant.jpgexternal image magnify-clip.pngPlanta de energía geotérmica en las Filipinas.
La energía geotérmica es aquella energía que puede obtenerse mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. El calor del interior de la Tierra se debe a varios factores, entre los que caben destacar el gradiente geotérmico, el calor radiogénico, etc. Geotérmico viene del griego geo (Tierra), y thermos (calor); literalmente "calor de la Tierra".
Tipos de yacimientos geotérmicos según la temperatura del agua
  • Energía geotérmica de alta temperatura. La energía geotérmica de alta temperatura existe en las zonas activas de la corteza. Esta temperatura está comprendida entre 150 y 400 °C, se produce vapor en la superficie y mediante una turbina, genera electricidad. Se requieren varias condiciones para que se dé la posibilidad de existencia de un campo geotérmico: una capa superior compuesta por una cobertura de rocas impermeables; un acuífero, o depósito, de permeabilidad elevada, entre 0,3 y 2 km de profundidad; suelo fracturado que permite una circulación de fluidos por convección, y por lo tanto la trasferencia de calor de la fuente a la superficie, y una fuente de calor magmático, entre 3 y 15 km de profundidad, a 500-600 °C. La explotación de un campo de estas características se hace por medio de perforaciones según técnicas casi idénticas a las de la extracción del petróleo.
  • Energía geotérmica de temperaturas medias. La energía geotérmica de temperaturas medias es aquella en que los fluidos de los acuíferos están a temperaturas menos elevadas, normalmente entre 70 y 150 °C. Por consiguiente, la conversión vapor-electricidad se realiza con un rendimiento menor, y debe explotarse por medio de un fluido volátil. Estas fuentes permiten explotar pequeñas centrales eléctricas, pero el mejor aprovechamiento puede hacerse mediante sistemas urbanos reparto de calor para su uso en calefacción y en refrigeración (mediante máquinas de absorción)
  • Energía geotérmica de baja temperatura. La energía geotérmica de temperaturas bajas es aprovechable en zonas más amplias que las anteriores; por ejemplo, en todas las cuencas sedimentarias. Es debida al gradiente geotérmico. Los fluidos están a temperaturas de 50 a 70 °C.
  • Energía geotérmica de muy baja temperatura. La energía geotérmica de muy baja temperatura se considera cuando los fluidos se calientan a temperaturas comprendidas entre 20 y 50 °C. Esta energía se utiliza para necesidades domésticas, urbanas o agrícolas.
Las fronteras entre los diferentes tipos de energías geotérmicas es arbitraria; si se trata de producir electricidad con un rendimiento aceptable la temperatura mínima está entre 120 y 180 °C, pero las fuentes de temperatura más baja son muy apropiadas para los sistemas de calefacción urbana.

Tipos de fuentes geotérmicas

Esquema de las fuentes de energía geotérmicas.
En áreas de aguas termales muy calientes a poca profundidad, se aprovecha el calor desprendido por el interior de la tierra. El agua caliente o el vapor pueden fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos de flujos de agua y de vapor. El método a elegir depende del que en cada caso sea económicamente rentable. Un ejemplo, en Inglaterra, fue el "Proyecto de Piedras Calientes HDR" (sigla en inglés: HDR, Hot Dry Rocks), abandonado después de comprobar su inviabilidad económica en 1989. Los programas HDR se están desarrollando en Australia, Francia, Suiza, Alemania. Los recursos de magma (rocas fundidas) ofrecen energía geotérmica de altísima temperatura, pero con la tecnología existente no se pueden aprovechar económicamente esas fuentes.
En la mayoría de los casos la explotación debe hacerse con dos pozos (o un número par de pozos), de modo que por uno se obtiene el agua caliente y por otro se vuelve a reinyectar en el acuífero, tras haber enfriado el caudal obtenido. Las ventajas de este sistema son múltiples:
  • Hay menos probabilidades de agotar el yacimiento térmico, puesto que el agua reinyectada contiene todavía una importante cantidad de energía térmica.
  • Tampoco se agota el agua del yacimiento, puesto que la cantidad total se mantiene.
  • Las posibles sales o emisiones de gases disueltos en el agua no se manifiestan al circular en circuito cerrado por las conducciones, lo que evita contaminaciones.

3Energía hidráulica

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Rotor de palas en un pequeño curso de agua.
Se denomina energía hidráulica o energía hídrica a aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Es un tipo de energía verde cuando su impacto ambiental es mínimo y usa la fuerza hídrica sin represarla, en caso contrario es considerada sólo una forma de energía renovable.
Se puede transformar a muy diferentes escalas, existen desde hace siglos pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas de represas, aunque estas últimas no son consideradas formas de energía verde por el alto impacto ambiental que producen.
Cuando el Sol calienta la Tierra, además de generar corrientes de aire, hace que el agua del mar, principalmente, se evapore y ascienda por el aire y se mueva hacia las regiones montañosas, para luego caer en forma de lluvia. Esta agua se puede colectar y retener mediante presas. Parte del agua almacenada se deja salir para que se mueva los álabes de una turbina engranada con un generador de energía eléctrica.
Extracción de la energía hidráulica
Dichas características hacen que sea significativa en regiones donde existe una combinación adecuada de lluvias, desniveles geológicos y orografía favorable para la construcción de represas. La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial y cinética contenida en las masas de agua que transportan los ríos, provenientes de la lluvia y del deshielo. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual trasmite la energía a un alternador el cual la convierte en energía eléctrica.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas

Se trata de una energía renovable y limpia de alto rendimiento energético. Es una energía inagotable. Es ecológica. Tiene un bajo costo de mantenimiento.
Ventajas económicas
La gran ventaja de la energía hidráulica o hidroeléctrica es la eliminación parcial de los costes de combustible. El coste de operar una planta hidráulica es casi inmune a la volatilidad de los combustibles fósiles como la gasolina, el carbón o el gas natural. Además, no hay necesidad de importar combustibles de otros países.
Las plantas hidráulicas también tienden a tener vidas económicas más largas que las plantas eléctricas que utilizan combustibles. Hay plantas hidráulicas que siguen operando después de 50 a 100 años. Los costos de operación son bajos porque las plantas están automatizadas y tienen pocas personas durante su operación normal. Estas plantas producen la misma cantidad de dióxido de carbono en comparación con la materia gris del planeta. Este hecho es beneficioso para la salud.
Como las plantas hidráulicas no queman combustibles, no producen directamente dióxido de carbono. Muy poco dióxido de carbono es producido durante el período de construcción de las plantas, pero es poco, especialmente en comparación a las emisiones de una planta equivalente que quema combustibles.
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Presa de las Tres Gargantas (en el curso del río Yangtsé en China), la planta hidroeléctrica más grande del mundo. Generará una potencia de 22.5 GW, pero habrá afectado a más de 1.900.000 personas e inundado 630 km².

Inconvenientes

Pueden ser varios:
  • La construcción de grandes embalses puede inundar importantes extensiones de terreno, obviamente en función de la topografía del terreno aguas arriba de la presa, lo que podría significar perdida de tierras fértiles, dependiendo del lugar donde se construyan;
  • En el pasado se han construido embalses que han inundado pueblos enteros. Con el crecimiento de la conciencia ambiental, estos hechos son actualmente menos frecuentes, pero aun persisten;
  • Destrucción de la naturaleza. Presas y embalses pueden ser disruptivas a los ecosistemas acuáticos. Por ejemplo, estudios han mostrado que las presas en las costas de Norteamérica han reducido las poblaciones de trucha septentrional común que necesitan migrar a ciertos locales para reproducirse. Hay bastantes estudios buscando soluciones a este tipo de problema. Un ejemplo es la invención de un tipo de escalera para los peces;
  • Cambia los ecosistemas en el río aguas abajo. El agua que sale de las turbinas no tiene prácticamente sedimento. Esto puede resultar en la erosión de las márgenes de los ríos.
  • Cuando las turbinas se abren y cierran repetidas veces, el caudal del río se puede modificar drásticamente causando una dramática alteración en los ecosistemas.

4Energía mareomotriz

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Antiguo molino de mareas en Isla Cristina (Huelva).
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Generador axial en Reino Unido.
La energía mareomotriz es la que se obtiene aprovechando las mareas, mediante su acoplamiento a un alternador se puede utilizar el sistema para la generación de electricidad, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica, una forma energética más útil y aprovechable. Es un tipo de energía renovable y limpia.
La energía mareomotriz tiene la cualidad de ser renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y es limpia, ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el coste económico y ambiental de instalar los dispositivos para su proceso han impedido una proliferación notable de este tipo de energía.
Otras formas de extraer energía del mar son: las olas (energía undimotriz), de la diferencia de temperatura entre la superficie y las aguas profundas del océano, el gradiente térmico oceánico; de la salinidad, de las corrientes marinas o la energía eólica marina.
En España, el Gobierno de Cantabria y el Instituto para la Diversificación y Ahorro Energético (IDAE) quieren crear un centro de I+D+i en la costa de Santoña. La planta podría atender al consumo doméstico anual de unos 2.500 hogares.

Métodos de generación
Los métodos de generación mediante energía de marea pueden clasificarse en estas tres:

Generador de la corriente de marea

Artículo principal: Generador de corrientes de marea
Los generadores de corriente de marea (Tidal Stream Generators o ETG, por sus iniciales inglés) hacen uso de la energía cinética del agua en movimiento a las turbinas de la energía, de manera similar al viento (aire en movimiento) que utilizan las turbinas eólicas. Este método está ganando popularidad debido a costos más bajos y a un menor impacto ecológico en comparación con las presas de marea.

Presa de marea

Artículo principal: Presa de marea
Las presas de marea hacen uso de la energía potencial que existe en la diferencia de altura (o pérdida de carga) entre las mareas altas y bajas. Las presas son esencialmente los diques en todo el ancho de un estuario, y sufren los altos costes de la infraestructura civil, la escasez mundial de sitios viables y las cuestiones ambientales.

Energía mareomotriz dinámica

Artículo principal: Energía mareomotriz dinámica
La energía mareomotriz dinámica (Dynamic Tidal Power o DTP) es una tecnología de generación teórica que explota la interacción entre las energías cinética y potencial en las corrientes de marea. Se propone que las presas muy largas (por ejemplo: 30 a 50 km de longitud) se construyan desde las costas hacia afuera en el mar o el océano, sin encerrar un área. Se introducen por la presa diferencias de fase de mareas, lo que lleva a un diferencial de nivel de agua importante (por lo menos 2.3 metros) en aguas marinas ribereñas poco profundas con corrientes de mareas que oscilan paralelas a la costa, como las que encontramos en el Reino Unido, China y Corea. Cada represa genera energía en una escala de 6 a 17 GW.

Energía solar

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Panel solar.
La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol.
Desde que surgió se le catalogó como la solución perfecta para las necesidades energéticas de todos los países debido a su universalidad y acceso gratuito ya que, como se ha mencionado anteriormente, proviene del sol. Para los usuarios el gasto está en el proceso de instalación del equipo solar (placa, termostato…). Este gasto, con el paso del tiempo, es cada vez menor por lo que no nos resulta raro ver en la mayoría de las casas las placas instaladas. Podemos decir que no contamina y que su captación es directa y de fácil mantenimiento.
La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce a través de la absorción de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde, si bien, al final de su vida útil, los paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difícilmente reciclable al día de hoy.
La potencia de la radiación varía según el momento del día; las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de radiación el valor es de aproximadamente 1000 W/ en la superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia.
La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones.
La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1354 W/ (que corresponde a un valor máximo en el perihelio de 1395 W/ y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/).
Según informes de Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030.

Energía proveniente del Sol

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Aproximadamente la mitad de la energía proveniente del Sol alcanza la superficie terrestre.
La Tierra recibe 174 petavatios de radiación solar entrante (insolación) desde la capa más alta de la atmósfera.[2[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-Smil_1991-1|]]] Aproximadamente el 30% es reflejada de vuelta al espacio mientras que el resto es absorbida por las nubes, los océanos y las masas terrestres. El espectro electromagnético de la luz solar en la superficie terrestre está ocupado principalmente por luz visible y rangos de infrarrojos con una pequeña parte de radiación ultravioleta. [3[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-2|]]] La radiación absorbida por los océanos, las nubes, el aire y las masas de tierra incrementan la temperatura de éstas. El aire calentado es el que contiene agua evaporada que asciende de los océanos, y también en parte de los continentes, causando circulación atmosférica o convección. Cuando el aire asciende a las capas altas, donde la temperatura es baja, va disminuyendo su temperatura hasta que el vapor de agua se condensa formando nubes. El calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo fenómenos como el viento, borrascas y anticiclones. [4[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-3|]]] La energía solar absorbida por los océanos y masas terrestres mantiene la superficie a 14 °C.[5[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-4|]]] Para la fotosíntesis de las plantas verdes la energía solar se convierte en energía química, que produce alimento, madera y biomasa, de la cual derivan también los combustibles fósiles.[6[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-5|]]]
Flujo Solar Anual y Consumo de energía humano
Solar
3.850.000 EJ[7[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-Smil_2006.2C_p._12-6|]]]
Energía eólica
2.250 EJ[8[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-7|]]]
Biomasa
3.000 EJ[9[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-fao.org-8|]]]
Uso energía primario (2005)
487 EJ[10[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-9|]]]
Electricidad (2005)
56,7 EJ[11[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-10|]]]
Se estima que la energía total que absorben la atmósfera, los océanos y los continentes puede ser de 3.850.000 exajulios por año.[7[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-Smil_2006.2C_p._12-6|]]] . En 2002, esta energía en un segundo equivalía al consumo global mundial de energía durante un año.[12[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-11|]]] [13[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-12|]]] La fotosíntesis captura aproximadamente 3.000 EJ por año en biomasa, lo que representa solo el 0,08% de la energía recibida por la Tierra.[9[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar#cite_note-fao.org-8|]]] La cantidad de energía solar recibida anual es tan vasta que equivale aproximadamente al doble de toda la energía producida jamás por otras fuentes de energía no renovable como son el petróleo, el carbón, el uranio y el gas natural.

Energía cinética

Para otros usos de este término, véase Energía (desambiguación) y Cinética.
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Los carros de una montaña rusa alcanzan su máxima energía cinética cuando están en el fondo de su trayectoria. Cuando comienzan a elevarse, la energía cinética comienza a ser convertida a energía potencial gravitacional, pero, si se asume una fricción insignificante y otros factores de retardo, la cantidad total de energía en el sistema sigue siendo constante.
En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su velocidad. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética. Suele abreviarse con letra Ec o Ek (a veces también T o K).
Energía cinética en mecánica newtoniana

[editar] Energía cinética de una partícula

En mecánica clásica, la energía cinética de un objeto puntual (un cuerpo tan pequeño que su dimensión puede ser ignorada), o en un sólido rígido que no rote, está dada en la ecuación
E_c = begin{matrix} frac{1}{2} end{matrix} mv^2
E_c = begin{matrix} frac{1}{2} end{matrix} mv^2
donde m es la masa y v es la velocidad del cuerpo. Se considera la consecuencia de la acción de una fuerza, por que cuando una fuerza externa actúa sobre una partícula o un sistema de partículas en equilibrio produce un cambio en la energía cinética.
En mecánica clásica la energía cinética se puede calcular a partir de la ecuación del trabajo y la expresión de una fuerza F dada por la segunda ley de Newton:
 E_c = W = int vec{F} cdot dvec{r} =int m frac{dvec{v}}{dt} cdot vec{v}dt=frac{1}{2}mv^2
E_c = W = int vec{F} cdot dvec{r} =int m frac{dvec{v}}{dt} cdot vec{v}dt=frac{1}{2}mv^2
La energía cinética se incrementa con el cuadrado de la velocidad. Así la energía cinética es una medida dependiente del sistema de referencia. La energía cinética de un objeto está también relacionada con su momento lineal:
  • E_c = frac{p^2}{2m}
    E_c = frac{p^2}{2m}

[editar] Energía cinética en diferentes sistemas de referencia

Como hemos dicho, en la mecánica clásica, la energía cinética de una masa puntual depende de su masa m y sus componentes del movimiento. Se expresa en Joules (J). 1 J = 1 kg·m2/s2. Estos son descritos por la velocidad v de la masa puntual, así:
E_c = frac{1}{2} m v^2.
E_c = frac{1}{2} m v^2.

En un sistema de coordenadas especial, esta expresión tiene las siguientes formas:
E_c={1 over 2} m (dot x^2+dot y^2+dot z^2)
E_c={1 over 2} m (dot x^2+dot y^2+dot z^2)

E_c=frac{1}{2}m left(dot r^2 + r^2 dot varphi^2 right)
E_c=frac{1}{2}m left(dot r^2 + r^2 dot varphi^2 right)

E_c=frac{1}{2}m left(dot r^2 + r^2 dot varphi^2 + dot z^2 right)
E_c=frac{1}{2}m left(dot r^2 + r^2 dot varphi^2 + dot z^2 right)

E_c=frac{1}{2}m left(r^2 left[dot theta^2 + dot varphi^2 sin^2theta right] + dot r^2 right)
E_c=frac{1}{2}m left(r^2 left[dot theta^2 + dot varphi^2 sin^2theta right] + dot r^2 right)
Con eso el significado de un punto en una coordenada y su cambio temporal se describe como la derivada temporal de su desplazamiento:
dot x = frac{mathrm{d}x}{mathrm{d}t}= frac{mathrm{d}}{mathrm{d}t} x(t)
dot x = frac{mathrm{d}x}{mathrm{d}t}= frac{mathrm{d}}{mathrm{d}t} x(t)
En un formalismo Hamiltoniano no se trabaja con esas componentes del movimiento, o sea con su velocidad, si no con su impulso p (cambio en la cantidad de movimiento). En caso de usar componentes cartesianas obtenemos:
E_c = frac{p_x^2+p_y^2+p_z^2}{2m}
E_c = frac{p_x^2+p_y^2+p_z^2}{2m}
===[editar] Energía cinética de sistemas de partículas===
Para una partícula, o para un sólido rígido que no este rotando, la energía cinética va a cero cuando el cuerpo para. Sin embargo, para sistemas que contienen muchos cuerpos con movimientos independientes, que ejercen fuerzas entre ellos y que pueden (o no) estar rotando; esto no es del todo cierto. Esta energía es llamada 'energía interna'. La energía cinética de un sistema en cualquier instante de tiempo es la suma simple de las energías cinéticas de las masas, incluyendo la energía cinética de la rotación.
Un ejemplo de esto puede ser el sistema solar. En el centro de masas del sistema solar, el sol está (casi) estacionario, pero los planetas y planetoides están en movimiento sobre él. Así en un centro de masas estacionario, la energía cinética está aun presente. Sin embargo, recalcular la energía de diferentes marcos puede ser tedioso, pero hay un truco. La energía cinética de un sistema de diferentes marcos inerciales puede calcularse como la simple suma de la energía en un marco con centro de masas y añadir en la energía el total de las masas de los cuerpos que se mueven con velocidad relativa entre los dos marcos.
Esto se puede demostrar fácilmente: sea V la velocidad relativa en un sistema k de un centro de masas i:
  • E_c = int frac{mathbf{v}^2}{2}dm = int frac{(bar{mathbf{v}}+mathbf{V})^2}{2}dm = > underbrace{int frac{bar{mathbf{v}}^2}{2}dm}_{E_{c,int}}> + underbrace{mathbf{V}int bar{mathbf{v}} dm}_{mathbf{V}cdotmathbf{P} = 0}> + underbrace{frac{V^2}{2} int dm}_{E_{c,CM}}
    E_c = int frac{mathbf{v}^2}{2}dm = int frac{(bar{mathbf{v}}+mathbf{V})^2}{2}dm = > underbrace{int frac{bar{mathbf{v}}^2}{2}dm}_{E_{c,int}}> + underbrace{mathbf{V}int bar{mathbf{v}} dm}_{mathbf{V}cdotmathbf{P} = 0}> + underbrace{frac{V^2}{2} int dm}_{E_{c,CM}}
Donde:
E_{c,int},
E_{c,int},
, es la energía cinética interna respecto al centro de masas de ese sistema
mathbf{P}
mathbf{P}
es el momento respecto al centro de masas, que resulta ser cero por la definición de centro de masas.
M,
M,
, es la masa total.Por lo que la expresión anterior puede escribirse simplemetne como:[1[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica#cite_note-0|]]]
  •  E_c = overbrace{E_{c,int}}^{E_{rot}} + M frac{V^2}{2} = > E_{rot} + E_{tras}
    E_c = overbrace{E_{c,int}}^{E_{rot}} + M frac{V^2}{2} = > E_{rot} + E_{tras}
Donde puede verse más claramente que energía cinética total de un sistema puede descomponerse en su energía cinética de traslación y la energía de rotación alrededor del centro de masas. La energía cinética de un sistema entonces depende del Sistema de referencia inercial y es más bajo con respecto al centro de masas referencial, por ejemplo: en un sistema de referencia en que el centro de masas sea estacionario. En cualquier otro sistema de referencia hay una energía cinética adicional correspondiente a la masa total que se mueve a la velocidad del centro de masas.

[editar] Energía cinética de un sólido rígido en rotación

Para un sólido rígido que está rotando puede descomponerse la energía cinética total como dos sumas: la energía cinética de traslación (que es la asociada al desplazamiento del centro de masa del cuerpo a través del espacio) y la energía cinética de rotación (que es la asociada al movimiento de rotación con cierta velocidad angular). La expresión matemática para la energía cinética es:
  • E_c = E_{tra} + E_{rot} =frac{1}{2} m | vec{v} |^2 + frac{1}{2} vec{omega}^{t} cdot (mathbf{I} vec{omega})
    E_c = E_{tra} + E_{rot} =frac{1}{2} m | vec{v} |^2 + frac{1}{2} vec{omega}^{t} cdot (mathbf{I} vec{omega})
Donde:
E_{tra};
E_{tra};
Energía de traslación.
E_{rot};
E_{rot};
Energía de rotación.
m ,
m ,
Masa del cuerpo.
mathbf{I}
mathbf{I}
tensor de (momentos de) inercia.
vec{omega} =
vec{omega} =
velocidad angular del cuerpo.
vec{omega}^{t} =
vec{omega}^{t} =
traspuesta del vector de la velocidad angular del cuerpo.
vec{v} =
vec{v} =
velocidad lineal del cuerpo.El valor de la energía cinética es positivo, y depende del sistema de referencia que se considere al determinar el valor (módulo) de la velocidad
vec{v}
vec{v}
y
vec{omega}
vec{omega}
. La expresión anterior puede deducirse de la expresión general:
  • E_c = int_M frac{| vec{v} |^2}{2} dm
    E_c = int_M frac{| vec{v} |^2}{2} dm

[editar] En la hidrodinámica

En la Hidrodinámica cambia con mucha frecuencia la energía cinética por la densidad de la energía cinética. Esto se escribe generalmente a través de una pequeña e o una
epsilon
epsilon
, así:
e_c={1 over 2}  rho  v^2
e_c={1 over 2} rho v^2
, donde ρ describe la densidad del fluido.==[editar] Energía cinética en mecánica relativista==

[editar] Energía cinética de una partícula

Si la velocidad de un cuerpo es una fracción significante de la velocidad de la luz, es necesario utilizar mecánica relativista para poder calcular la energía cinética. En relatividad especial, debemos cambiar la expresión para el momento lineal y de ella por interacción se puede deducir la expresión de la energía cinética:
  • E_c = m gamma c^2 - m c^2 = frac{m c^2}{sqrt{1 - v^2/c^2}} - m c^2
    E_c = m gamma c^2 - m c^2 = frac{m c^2}{sqrt{1 - v^2/c^2}} - m c^2
Tomando la expresión relativista anterior, desarrollándola en serie de Taylor y tomando únicamente el término (1 / 2)m(v2 / c2) se recupera la expresión de la energía cinética típica de la mecánica newtoniana:[2[[http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica#cite_note-1|]]]
  •  E_c =  frac{mc^2}{sqrt{1-frac{v^2}{c^2}}}-mc^2=> mc^2left [frac{1}{2}left(frac{v^2}{c^2}right)+> frac{3}{8}left(frac{v^2}{c^2}right)^2+...right] = frac{1}{2}mv^2
    E_c = frac{mc^2}{sqrt{1-frac{v^2}{c^2}}}-mc^2=> mc^2left [frac{1}{2}left(frac{v^2}{c^2}right)+> frac{3}{8}left(frac{v^2}{c^2}right)^2+...right] = frac{1}{2}mv^2
Se toma únicamente el primer término de la serie de Taylor ya que, conforme la serie progresa, los términos se vuelven cada vez más y más pequeños y es posible despreciarlos.
La ecuación relativista muestra que la energía de un objeto se acerca al infinito cuando la velocidad v se acerca a la velocidad de la luz c, entonces es imposible acelerar un objeto a esas magnitudes. Este producto matemático es la fórmula de equivalencia entre masa y energía, cuando el cuerpo está en reposo obtenemos esta ecuación:
  • E_0 = m c^2 !
    E_0 = m c^2 !
Así, la energía total E puede particionarse entre las energías de las masas en reposo más la tradicional energía cinética newtoniana de baja velocidad. Cuando los objetos se mueven a velocidades mucho más bajas que la luz (ej. cualquier fenómeno en la tierra) los primeros dos términos de la serie predominan.
La relación entre energía cinética y momentum es más complicada en este caso y viene dada por la ecuación:
  • E_c = sqrt{p^2 c^2 + m^2 c^4} - m c^2
    E_c = sqrt{p^2 c^2 + m^2 c^4} - m c^2
Esto también puede expandirse como una serie de Taylor, el primer término de esta simple expresión viene de la mecánica newtoniana. Lo que sugiere esto es que las fórmulas para la energía y el momento no son especiales ni axiomáticas pero algunos conceptos emergen de las ecuaciones de masa con energía y de los principios de la relatividad.

[editar] Energía cinética de un sólido en rotación

A diferencia del caso clásico la energía cinética de rotación en mecánica relativista no puede ser representada simplemente por un tensor de inercia y una expresión cuadrática a partir de él en el que intervenga la velocidad angular. El caso simple de una esfera en rotación ilustra este punto; si suponemos una esfera de un material suficientemente rígido para que podamos despreciar las deformaciones por culpa de la rotación (y por tanto los cambios de densidad) y tal que su velocidad angular satisfaga la condición
scriptstyle omega R < c
scriptstyle omega R < c
se puede calcular la energía cinética
scriptstyle E_c
scriptstyle E_c
a partir de la siguiente integral:
  • E_c + m_0c^2 = int_S frac{c^2 dm}{sqrt{1-frac{v^2}{c^2}}} => 2pi int_{r=0}^{r=R} int_{theta = 0}^{theta = pi}> frac{rho c^2}{sqrt{1-frac{r^2omega^2}{c^2}}} r^2sin theta drdtheta>
    E_c + m_0c^2 = int_S frac{c^2 dm}{sqrt{1-frac{v^2}{c^2}}} => 2pi int_{r=0}^{r=R} int_{theta = 0}^{theta = pi}> frac{rho c^2}{sqrt{1-frac{r^2omega^2}{c^2}}} r^2sin theta drdtheta>
Integrando la expresión anterior se obtiene la expresión:
  • E_c = frac{3}{2}m_0c^2 left(frac{c}{Romega}right)^2> left[ 1 + frac{1}{2} left(frac{Romega}{c}-frac{c}{Romega}right) > ln left(frac{c+Romega}{c-Romega} right) right]> - m_0c^2
    E_c = frac{3}{2}m_0c^2 left(frac{c}{Romega}right)^2> left[ 1 + frac{1}{2} left(frac{Romega}{c}-frac{c}{Romega}right) > ln left(frac{c+Romega}{c-Romega} right) right]> - m_0c^2
external image 300px-Kinetic_Energy_of_a_sphere.pngexternal image magnify-clip.png
Comparación entre la expresión para la energía cinética de una esfera de acuerdo con la mecánica clásica y la mecánica relativista (aquí R es el radio, ω la velocidad angular y m0 la masa en reposo de la esfera.
Para una esfera en rotación los puntos sobre el eje no tienen velocidad de traslación mientras que los puntos más alejados del eje de giro tienen una velocidad
scriptstyle omega R
scriptstyle omega R
, a medida que esta velocidad se aproxima a la velocidad de la luz la energía cinética de la esfera tiende a crecer sin límite. Esto contrasta con la expresión clásica que se da a continuación:
  • E_c = frac{1}{2}I omega^2 = frac{1}{2} left(frac{2}{5} m_0R^2right) omega^2
    E_c = frac{1}{2}I omega^2 = frac{1}{2} left(frac{2}{5} m_0R^2right) omega^2
Paradójicamente, dentro de la teoría especial de la relatividad, el supuesto de que un medio continuo indeformable lleva a que los puntos más alejados del eje de giro alcancen la velocidad de la luz aplicando al cuerpo una cantidad finita de energía. Lo cual revela que el supuesto no puede ser correcto cuando algunos puntos de la periferia del sólido están moviéndose a velocidades cercanas a la de la luz.

[editar] Energía cinética en mecánica cuántica

En la mecánica cuántica, el valor que se espera de energía cinética de un electrón,
langlehat{T}rangle
langlehat{T}rangle
, para un sistema de electrones describe una función de onda
vertpsirangle
vertpsirangle
que es la suma de un electrón, el operador se espera que alcance el valor de:
  • langlehat{T}rangle = -frac{hbar^2}{2 m_e}bigglanglepsi biggvert sum_{i=1}^N nabla^2_i biggvert psi biggrangle
    langlehat{T}rangle = -frac{hbar^2}{2 m_e}bigglanglepsi biggvert sum_{i=1}^N nabla^2_i biggvert psi biggrangle
donde me es la masa de un electrón y
nabla^2_i
nabla^2_i
es el operador laplaciano que actúa en las coordenadas del electrón iésimo y la suma de todos los otros electrones. Note que es una versión cuantizada de una expresión no relativista de energía cinética en términos de momento:
  • E_c = frac{p^2}{2m}
    E_c = frac{p^2}{2m}
El formalismo de la funcional de densidad en mecánica cuántica requiere un conocimiento sobre la densidad electrónica, para esto formalmente no se requiere conocimientos de la función de onda.
Dado una densidad electrónica
rho(mathbf{r})
rho(mathbf{r})
, la funcional exacta de la energía cinética del n-ésimo electrón es incierta; sin embargo, en un caso específico de un sistema de un electrón, la energía cinética puede escribirse así:
  •  T[rho]  =  frac{1}{8} int frac{ nabla rho(mathbf{r}) cdot nabla rho(mathbf{r}) }{ rho(mathbf{r}) } d^3r
    T[rho] = frac{1}{8} int frac{ nabla rho(mathbf{r}) cdot nabla rho(mathbf{r}) }{ rho(mathbf{r}) } d^3r
donde T[ρ] es conocida como la funcional de la energía cinética de Von Weizsacker.

[editar] Energía cinética de partículas en la mecánica cuántica

En la teoría cuántica una magnitud física como la energía cinética debe venir representada por un operador autoadjunto en un espacio de Hilbert adecuado. Ese operador puede construirse por un proceso de cuantización, el cual conduce para una partícula moviéndose por el espacio euclídeo tridimensional a una representación natural de ese operador sobre el espacio de Hilbert
L^2(R)
L^2(R)
dado por:
  •  hat{E}_c = -hbar^2 left(frac{partial^2}{partial x^2}+ frac{partial^2}{partial y^2}+ frac{partial^2}{partial z^2}right)
    hat{E}_c = -hbar^2 left(frac{partial^2}{partial x^2}+ frac{partial^2}{partial y^2}+ frac{partial^2}{partial z^2}right)
que, sobre un dominio denso de dicho espacio formado clases de equivalencia representables por funciones C², define un operador autoadjunto con autovalores siempre positivos, lo cual hace que sean interpretables como valores físicamente medibles de la energía cinética.

[editar] Energía cinética del sólido rígido en la mecánica cuántica

Un sólido rígido a pesar de estar formado por un número infinito de partículas, es un sistema mecánico con un número finito de grados de libertad lo cual hace que su equivalente cuántico pueda ser representado por sobre un espacio de Hilbert de dimensión infinita de tipo L² sobre un espacio de configuración de inútiles dimensión finita. En este caso el espacio de configuración de un sólido rígido es precisamente el grupo de Lie //SO//(3) y por tanto el espacio de Hilbert pertinente y el operador energía cinética de rotación pueden representarse por:
  • > mathcal{H} = L^2(SO(3),mu_h) qquad hat{E}_{rot}= left(frac{hat{L}_x^2}{2I_1} + frac{hat{L}_y^2}{2I_2} + frac{hat{L}_z^2}{2I_3} right)
    > mathcal{H} = L^2(SO(3),mu_h) qquad hat{E}_{rot}= left(frac{hat{L}_x^2}{2I_1} + frac{hat{L}_y^2}{2I_2} + frac{hat{L}_z^2}{2I_3} right)
donde μh es la medida de Haar invariante de SO(3),
hat{L}_i
hat{L}_i
son los operadores del momento angular en la representación adecuada y los escalares Ii son los momentos de inercia principales.

[editar] Energía cinética y temperatura

A nivel microscópico la energía cinética promedio de las moléculas de un gas define su temperatura. De acuerdo con la ley de Maxwell-Boltzmann para un gas ideal clásico la relación entre la temperatura (T) de un gas y su energía cinética media es:
T =frac{2}{3kappa_B}langle E_k rangle = frac{m}{3kappa_B}langle v^2 rangle
T =frac{2}{3kappa_B}langle E_k rangle = frac{m}{3kappa_B}langle v^2 rangle
donde κB es la constante de Boltzmann,
m;
m;
es la masa de cada una de las moléculas del gas.

Biomasa

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external image 220px-Panicum_virgatum.jpgexternal image magnify-clip.png
Panicum virgatum, una planta resistente empleada para producir biocombustibles.
external image 220px-Zea_mays.jpgexternal image magnify-clip.png
El maíz, ejemplo de planta utilizada para la fabricación de biocombustibles.
Biomasa, según el Diccionario de la Real Academia Española, tiene dos acepciones:
  1. f. Biol. Materia total de los seres que viven en un lugar determinado, expresada en peso por unidad de área o de volumen.
  2. f. Biol. Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía.[1[[http://es.wikipedia.org/wiki/Biomasa#cite_note-0|]]]
La primera acepción se utiliza habitualmente en Ecología. La segunda acepción, más restringida, se refiere a la biomasa 'útil' en términos energéticos: las plantas transforman la energía radiante del Sol en energía química a través de la fotosíntesis, y parte de esa energía química queda almacenada en forma de materia orgánica; la energía química de la biomasa puede recuperarse quemándola directamente o transformándola en combustible (ésta es la única acepción recogida en la wikipedia inglesa en junio de 2008).
Un equívoco muy común es confundir 'materia orgánica' con 'materia viva', pero basta considerar un árbol, en el que la mayor parte de la masa está muerta, para deshacer el equívoco; de hecho, es precisamente la biomasa 'muerta' la que en el árbol resulta más útil en términos energéticos. Se trata de un debate importante en ecología, como muestra esta apreciación de Margalef (1980:12):
Todo ecólogo empeñado en estimar la biomasa de un bosque se enfrenta, tarde o temprano, con un problema. ¿Deberá incluir también la madera, y quizás incluso la hojarasca y el mantillo? Una gran proporción de la madera no se puede calificar de materia viva, pero es importante como elemento de estructura y de transporte, y la materia orgánica del suelo es también un factor de estructura.
Otro equívoco muy común es utilizar 'biomasa' como sinónimo de la energía útil que puede extraerse de ella, lo que genera bastante confusión debido a que la relación entre la energía útil y la biomasa es muy variable y depende de innumerables factores. Para empezar, la energía útil puede extraerse por combustión directa de biomasa (madera, excrementos animales, etc), pero también de la combustión de combustibles obtenidos de ella mediante transformaciones físicas o químicas (gas metano de los residuos orgánicos, por ejemplo), procesos en los que 'siempre' se pierde algo de la energía útil original. Además, la biomasa puede ser útil directamente como materia orgánica en forma de abono y tratamiento de suelos (por ejemplo, el uso de estiércol o de coberturas vegetales). Y por supuesto no puede olvidarse su utilidad más común: servir de alimento a muy diversos organismos, la humanidad incluida (véase 'cadena trófica').
La biomasa de la madera, residuos agrícolas y estiércol continúa siendo una fuente principal de energía y materia útiles en países poco industrializados.
En la primera acepción, es la masa total de toda la materia que forma un organismo, una población o un ecosistema y tiende a mantenerse más o menos constante. Su medida es difícil en el caso de los ecosistemas. Por lo general, se da en unidades de masa por cada unidad de superficie. Es frecuente medir la materia seca (excluyendo el agua). En la pluviselva del Amazonas puede haber una biomasa de plantas de 1.100 toneladas por hectárea de tierra.
Pero mucho más frecuente es el interés en la 'producción neta' de un ecosistema, es decir, la nueva materia orgánica generada en la unidad de superficie a lo largo de una unidad tiempo, por ejemplo, en una hectárea y a lo largo de un año. En teoría, en un ecosistema que ha alcanzado el clímax la producción neta es nula o muy pequeña: el ecosistema simplemente renueva su biomasa sin crecimiento a la vez que la biomasa total alcanza su valor máximo. Por ello la biomasa es uno de los atributos más relevantes para caracterizar el estado de un ecosistema o el proceso de sucesión ecológica en un territorio (véase, por ejemplo, Odum, 1969).
En términos energéticos, se puede utilizar directamente, como es el caso de la leña, o indirectamente en forma de los biocombustibles (nótese que el etanol puede obtenerse del vino por destilación): 'biomasa' debe reservarse para denominar la materia prima empleada en la fabricación de biocombustibles.
La biomasa podría proporcionar energías sustitutivas a los combustibles fósiles, gracias a agrocombustibles líquidos (como el biodiésel o el bioetanol), gaseosos (gas metano) o sólidos (leña), pero todo depende de que no se emplee más biomasa que la producción neta del ecosistema explotado, de que no se incurra en otros consumos de combustibles en los procesos de transformación, y de que la utilidad energética sea la más oportuna frente a otros usos posibles (como abono y alimento, véase la discusión que para España plantea Carpintero, 2006).
Actualmente (2009), la biomasa proporciona combustibles complementarios a los fósiles, ayudando al crecimiento del consumo mundial (y de sus correspondientes impactos ambientales), sobre todo en el sector transporte (Estevan, 2008). Este hecho contribuye a la ya amplia apropiación humana del producto total de la fotosíntesis en el planeta, que supera actualmente más de la mitad del total (Naredo y Valero, 1999), apropiación en la que competimos con el resto de las especies.