Lo que mueve al mundo. El universo en nuestra contra. Lectura

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Ciencias de la Naturaleza 2º ESO

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Lo que mueve al mundo. El universo en nuestra contra. Lectura

  1. 1. SESO DEL IES LAS CUMBRES. GRAZALEMA CIENCIAS DE LA NATURALEZA 2º ESOhttp://iesgrazalema.blogspot.com ENERGÍALO QUE MUEVE AL MUNDO Quizá la característica más destacada de la materia en el Universo es que se mueve. Las galaxiasse están dispersando a gran velocidad desde el momento inicial del Big Bang. Los planetas giranalrededor de las estrellas o de otros planetas. Los cometas van y vienen. La Tierra rota sobre símisma. Los océanos sufren el vaivén de las mareas, están surcados por grandes corrientes y susuperficie se agita en olas. Los ríos fluyen y el viento sopla. Los continentes se desplazan, sereúnen o se separan, a lo largo de millones de años. Las moléculas se agitan incansablemente y, ensu seno, los electrones no se detienen nunca. Tampoco los seres vivos permanecen quietos. Los animales se persiguen, buscan comida, pareja,cobijo,… En sus entrañas, los corazones bombean ríos de sangre, branquias y pulmones hacencorrer el agua o el aire, el alimento es empujado a lo largo de los tubos digestivos. Ninguno de susórganos está parado. Ni siquiera las plantas conocen el reposo. Sus tallos y ramas crecenconstantemente, sus hojas giran buscando la luz, las flores se abren y cierran, y en su interior lasavia corre constantemente. Los microorganismos bullen, repitiendo a escala minúscula el ajetreode la vida macroscópica. También la vida implica movimiento. La muerte no es sino el fin delmovimiento: el descanso eterno. ¿Qué es lo que mantiene activo este frenesí universal? La respuesta es simple y, a la vez, muycomplicada: la energía. La energía es lo que mueve al mundo. Pero ¿qué es, exactamente, laenergía?. La física define la energía como la capacidad de imprimir una aceleración a una masa a lolargo de un espacio. O dicho en términos más simples: la energía es la capacidad de mover o decambiar el movimiento de las cosas. Pero esta definición no nos lleva mucho más lejos de lo que yasabíamos: que la energía es lo que mueve al mundo. Lo cierto es que aunque no podamos ofreceruna definición más satisfactoria de energía, al menos si que conocemos bien algunas de suspropiedades y manifestaciones. La energía se nos presenta de muy diversas maneras: como energía mecánica, calor, energíaluminosa, energía eléctrica, energía nuclear, energía química, etc. Aunque puedan parecerfenómenos muy distintos, todas las formas de energía están estrechamente relacionadas entre sí ypueden transformarse unas en otras. Para entender esta interrelación entre las distintas energíasmerece la pena que nos detengamos en la más fácil de comprender de todas ellas, la energíamecánica, que puede presentarse de dos maneras: como energía cinética o como energía potencial. La energía cinética es la energía asociada al movimiento de la materia. O dicho de otro modo, lacapacidad que tiene cualquier cuerpo que se desplace para mover, o deformar, a otro cuerpo con elque choque. El concepto de energía cinética está maravillosamente expresado en un viejo chiste: Amí no me dan miedo las balas, sino la velocidad que llevan. No le faltaba razón al pusilánimeguerrero: la energía cinética contenida en un cuerpo cualquiera al desplazarse es directamenteproporcional al cuadrado de su velocidad. La energía potencial de un cuerpo es su capacidad para adquirir energía cinética debido a suposición en un campo de fuerzas. En el caso del campo gravitatorio, esa posición es la altura a laque está situado el cuerpo. Es evidente que los objetos situados a más altura alcanzan mayorvelocidad, al dejarlos caer, que los que están más bajos. También el concepto de energía potencialestá recogido en la sabiduría popular: Cuanto más alto, más dura será la caída. Detengámonos a observar los coches que circulan por nuestras calles. Todos tienen energíacinética debido a su movimiento. Y esto es fácil de comprobar, bastaría con que nos interpusiéramosen el camino de cualquiera de ellos. Entonces nos transmitirían una parte de su energía cinética,lanzándonos por los aires y deformando (rompiendo) nuestro cuerpo. Siguiendo con nuestraobservación, nos enfrentaremos a un misterio: ¿qué ocurre cuando un coche frena y se detiene,adónde ha ido a parar su energía cinética? La física nos asegura, en el Primer Principio de la 1
  2. 2. Termodinámica, que la energía ni se crea ni se destruye sino que se transforma. Así pues, ¿en quéclase de energía se ha transformado la energía del movimiento del automóvil cuando éste se detuvo?La respuesta es que en calor. Los frenos del coche, los neumáticos, y el propio asfalto hanaumentado su temperatura como resultado de la fricción que ha detenido al coche. En realidad, el calor también es energía cinética. Las moléculas que componen los cuerpos noestán paradas sino que se agitan continuamente. Si el cuerpo es gaseoso, sus moléculas se desplazanlibremente, si es líquido lo hacen con mayor dificultad, y si está sólido se limitan a vibrar; pero nose están quietas. La temperatura de un cuerpo no es otra cosa que la suma del movimiento de susmoléculas. Si un cuerpo (gas, líquido o sólido) está muy caliente, sus moléculas se mueven(o vibran) muy deprisa, y si el cuerpo está frío, sus moléculas se mueven más lentamente. De modoque la energía cinética del coche se convirtió, al frenar, en energía cinética de las moléculas de losfrenos, los neumáticos y el asfalto. Si tenemos la suficiente paciencia y continuamos observando al automóvil que se detuvo,tendremos ocasión de enfrentarnos a otro enigma: llegado el momento, el coche vuelve a ponerse enmarcha, adquiriendo de nuevo energía cinética. Puesto que ya hemos dejado sentado que la energíano se crea ¿de dónde ha obtenido el vehículo la energía necesaria para volver a moverse? Larespuesta nos la puede facilitar cualquier niño: del combustible. La propia palabra nos ofrece unapista sobre la naturaleza de la energía que mueve al coche. Combustible quiere decir que puedehacer combustión, es decir quemarse. Y cuando se produce una combustión se libera una grancantidad de energía. Esto tampoco es difícil de comprobar, basta con quemar un papel, sucombustión produce calor y luz. A la energía que se esconde en la materia combustible se la conoce como energía química yvolveremos sobre ella más adelante. En cualquier caso, una parte de la energía química del combustible es transformada en energíamecánica (o sea, en movimiento) en el motor del coche, y otra parte se convierte en calor, que haceaumentar tanto la temperatura del motor que obliga a refrigerarlo continuamente. A su vez, laenergía mecánica generada en el motor sirve para mover las ruedas del automóvil y ponerlo enmovimiento, y también para hacer girar una dinamo y producir energía eléctrica, que en los faros seconvierte en luz. Recapitulemos. La energía primaria del coche es la energía química del combustible. Esta energíaacaba siendo transformada en energía cinética, calor, energía eléctrica y energía luminosa. Pero aúnqueda una pregunta que debemos responder: ¿cuál es el origen de la energía química delcombustible? La respuesta no es otra que la luz solar. El cómo la energía de la luz del Sol ha ido aparar a los depósitos de carburante de nuestros vehículos es una historia sorprendente, en la que losseres vivos son los protagonistas. Historia que se torna en asombrosa si tenemos en cuenta quetambién la luz solar es la que alimenta a casi todos los seres vivos del planeta. Pero para podercomprender el misterio, y maravillarnos con él, aún es necesario que conozcamos mejor algunascuestiones físicas y químicas.EL UNIVERSO EN NUESTRA CONTRAAunque, como hemos visto, la energía puede presentarse de muy diversas formas y es posibletransformar unas en otras, no debemos pensar que todos los tipos de energía son iguales. Utilizandola jerga técnica, podemos distinguir entre formas de energía de alta calidad y formas de energía debaja calidad. Para ayudarnos a entender la diferencia entre ambas nos vamos a permitir una licencia con el rigorcientífico para plantear una analogía entre el concepto de energía y el de valor económico. Eldiccionario de la Real Academia define el valor económico de un objeto como cualidad de lascosas, en virtud de la cual se da por poseerlas cierta cantidad de dinero o equivalente. O dicho deotro modo: el valor de una cosa es su capacidad de proporcionar a su poseedor cierta cantidad dedinero o equivalente. Si recordamos que la energía también es una capacidad, la de imprimirmovimiento a la materia, veremos que ambos conceptos, valor económico y energía, tienen mucho 2
  3. 3. en común. Siguiendo con la analogía, es evidente que también el valor económico puede presentarse enforma de distintos objetos valiosos, como dinero, valores bursátiles, bienes muebles, inmuebles, etc.Y, como ocurría con las formas de energía, los diferentes objetos valiosos también puedenintercambiarse entre sí. Uno puede tener su capital en acciones, en billetes, en lingotes de oro, endiamantes, en pisos… y cambiar unos por otros. Pues bien, también aquí podríamos distinguir entreobjetos valiosos de alta calidad y objetos valiosos de baja calidad. Los de alta calidad son aquellosque pueden ser convertidos en dinero (o equivalente) de manera eficiente, mientras que los de bajacalidad no permiten recuperar de manera eficaz el capital ( o equivalente) invertidos en ellos. Nosomos expertos en economía, pero el oro suele considerarse como un objeto valioso de alta calidad,mientras que los mondadientes no parecen una inversión muy acertada. Aunque el oro y losmondadientes que pueden adquirirse por un millón de pesetas tienen, en origen, el mismo valor, eloro mantiene su capacidad de ser convertido con facilidad en un millón de pesetas, o suequivalente, mientras que en el caso de los mondadientes eso es mucho más dudoso. En el casodel oro, el valor permanece concentrado, mientras que al invertir en mondadientes hemos disipadoel valor del millón de pesetas. Ésta es la clave para entender el concepto de formas de energía de alta y baja calidad. En lasprimeras, la capacidad de generar movimiento permanece concentrada, mientras que en lassegundas, dicha capacidad se disipa y no es aprovechable. En el ejemplo del automóvil, elcombustible es una forma de energía de alta calidad, muy aprovechable para producir movimiento,u otra forma de energía, mientras que el calor generado por la fricción del frenazo es una forma deenergía de baja calidad, poco aprovechable para producir movimiento (u otra forma de energía). Algenerar calor, la energía cinética del automóvil se disipó al aumentar un poco la energía cinética demuchas moléculas de los frenos, los neumáticos y el asfalto. El oro se invirtió en una ingentecantidad de mondadientes. Fue el científico francés Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832) quien descubrió que el calores una forma degradada de energía, ya que es imposible convertir en movimiento (técnicamente entrabajo) todo el calor generado en cualquier proceso. Esto quiere decir que no es posible recuperaren forma de movimiento, o de otra forma de energía, la totalidad de la energía invertida en calentarun cuerpo. De este modo, el calor puede considerarse como una especie de sumidero para las demásformas de energía. A partir de este sorprendente descubrimiento, que existe una forma de energía degradada, el calor,que no puede ser aprovechada ni transformada, se formuló la más desalentadora de las leyescientíficas, conocida con el inocente nombre de Segundo Principio de la Termodinámica. Esteprincipio, que puede ser (y ha sido) enunciado de muy diversas maneras, fue formulado por primeravez por el físico y matemático alemán Rudolf Emanuel Clausius (1822-1888). La formulaciónoriginal de Clausius es realmente difícil de comprender para alguien que no esté versado entermodinámica, pero puede transcribirse al lenguaje cotidiano (y que nos perdonen los físicos y losquímicos) por algo así como que no es posible construir una nevera que además de enfriar losalimentos genere, al mismo tiempo, energía eléctrica. Que Clausius tenía razón nos lo certifica, cadados meses, el recibo de la luz. Bromas aparte, la formulación más habitual del Segundo Principio nos asegura que en un sistemacerrado la entropía tiende irremisiblemente a aumentar con el tiempo. El concepto de entropíaexpresa la cantidad de energía que se convierte en calor en un sistema cerrado. Y un sistema cerradoes aquél en el no hay entradas ni salidas de energía ni de materia. Explicado de esa manera, elSegundo Principio de la Termodinámica no parece tan terrible; pero pasémoslo a un lenguaje másfácil de entender. La entropía también puede ser considerada como una medida del desorden espacial y energéticode un sistema. La idea de desorden energético no significa otra cosa que el paso de energía de altacalidad a energía de baja calidad, mientras que el desorden espacial es, exactamente, lo queentendemos habitualmente por desorden. 3
  4. 4. Un ejemplo dramático de las consecuencias del Segundo Principio es el caso de los seres vivos,sistemas de materia altamente ordenada. Si a un organismo se le convierte en un sistema cerrado,privándole de su fuente de materia y energía, de su alimento, muere y se descompone en un montónde materia altamente desordenada: Polvo eres… De manera que en nuestro Universo la energía tiende a disiparse en forma de calor y la materiapugna por desordenarse. Y lo que es peor, si el Universo, como afirman muchos científicos, es en síun sistema cerrado, resulta que tiende a desordenarse irremisiblemente. Esta visión de un Universocayendo inevitablemente por la cuesta abajo del desorden justificaría que el Segundo Principiofuera rebautizado como el Principio del Pesimismo Universal: da igual lo que hagamos, lo queintentemos construir, todo tiende inevitablemente al caos; tenemos al Universo en contra. Sin embargo, existe un rayo de luz en este panorama tan sombrío. En 1943, el premio Nobel deFísica austriaco Edwin Schrödinger (1887 – 1961) llamó la atención sobre el hecho de que elfenómeno de la vida parece desafiar al Segundo Principio de la Termodinámica, ya que, desde susorígenes, la materia viva ha ido adquiriendo una complejidad cada vez mayor. Este incremento delorden a lo largo del tiempo parece refutar la imagen de un Universo condenado al caos. Sinembargo, eso sólo es una aparente contradicción: los seres vivos no son sistemas cerrados. Losorganismos, al alimentarse, están continuamente adquiriendo energía de alta calidad y materia. Estaincorporación continua de energía y materia los convierte en sistemas abiertos, contra los que elSegundo Principio no tiene poder. Pero aunque algunos mostremos una cierta tendencia a engordar, los seres vivos no parecenacumular toda la energía de alta calidad y la materia que asimilan. ¿Adónde van a parar, entonces,dichas materia y energía? Lo cierto es que diariamente nos deshacemos de la mayor parte de lamateria que asimilamos, en forma de dióxido de carbono, de orina y de sudor. Por otra parte, laenergía de alta calidad la empleamos en generar calor y energía para desplazarnos y manteneractivas nuestras máquinas biológicas; y esta energía también acaba convertida en calor. O sea, queincorporamos materia muy ordenada y energía de alta calidad y expelemos materia muy simple ycalor. ¡Nos mantenemos ordenados a cambio de aumentar el desorden de la materia y de la energíaexternas¡ En realidad, los seres vivos preservamos nuestro extraordinario nivel de orden gracias a un flujoconstante de materia y energía que nos atraviesa, aumentando su desorden al hacerlo. Para decirlotécnicamente: mantenemos baja nuestra entropía a costa de aumentar la de nuestro entorno. Y lacantidad de desorden que generamos es mayor que la del orden que conseguimos (piensen, porejemplo, en la cantidad de calor y desperdicios que producen nuestras ciudades). En realidad, los seres vivos no violamos el Segundo Principio de la Termodinámica, ya que algenerar un desorden externo mayor que nuestro orden interno, el desorden total del Universo (suentropía) aumenta. No somos otra cosa que aceleradores del caos. Ése es el precio de la vida.AMALUR: Del átomo a la mente. Ignacio Martínez – Juan Luis Arsuaga. TEMAS DE HOY 4

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