La energía ¿no se crea ni se destruye?

  el 18 de marzo de 2012

Ensayo nuclear

El primer principio de la termodinámica, que afirma que la energía no puede crearse ni destruirse aunque sí transformarse de una forma en otra es, posiblemente, la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora. A pesar de ello, es también uno de las leyes peor interpretadas, dando lugar a multitud de ideas erróneas y malos entendidos, precisamente por tomarla al pie de la letra sin ir un poco más allá.

No hace falta aclarar que el principio es perfectamente válido. El objeto de este artículo no es otro que el de intentar conectarlo con la eficiencia energética de los modernos motores y sistemas de propulsión, comprendiendo un poco mejor lo que ocurre con la energía durante su funcionamiento y por qué, en realidad, la energía sí que se “destruye” en ellos como energía aprovechable, para convertirse en energía no aprovechable debido al menos conocido y peor interpretado segundo principio de la termodinámica.

Primer principio de la termodinámica

Citroën C-Zero

La primera ley de la termodinámica, llamada a veces principio de conservación de la energía, viene a decir que la energía inicial y final en un sistema aislado son iguales en cantidad, aunque pueden ser diferentes en su formato. La cuestión es que no hay creación ni destrucción de energía, sino diferentes procesos de transformación de una cantidad total constante.

No hay creación ni destrucción de energía, sino diferentes procesos de transformación de una cantidad total constante

Interpretando este principio al pie de la letra, alguien podría pensar que la energía empleada para mover un coche podría ser empleada una y otra vez con los medios adecuados de aprovechamiento y reaprovechamiento energético, de forma que sólo sería cuestión de tiempo y tecnología el que esto pudiese llegar a suceder y los coches no tuviesen que repostar jamás. Nada más lejos de la realidad.

La eficiencia energética de un motor diésel moderno no es superior al 40%. Esto significa que, de la energía química contenida en el gasoil que entra en las cámaras de combustión, sólo 40 partes de cada cien se transforman en movimiento que puede utilizarse para impulsar el coche. El resto se pierde en forma de calor a través del tubo de escape, mediante el circuito de refrigeración y mediante la conductividad térmica del bloque del motor y todos los elementos que intervienen en el proceso. Todo ese calor acaba en la atmósfera, más y más disperso con cada segundo que pasa.

La siguiente pregunta sería: ¿por qué el 40% y no el 100% de aprovechamiento?¿cuándo llegará la tecnología a alcanzar cotas más altas?¿cuándo podremos aprovechar todo ese calor para convertirlo, también, en movimiento?

La respuesta es nunca. Veamos el porqué.

Segundo principio de la termodinámica

Tubo de escape

La segunda ley de la termodinámica afirma que “no existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente, y lo convierta íntegramente en trabajo”. Es decir que, necesaria e inevitablemente, perderemos cierta cantidad de energía por el camino. Esta energía perdida no se ha destruido, pero sí se ha transformado en una forma dispersa e inútil que no podría contribuir a un movimiento adicional del coche, al menos no en su totalidad. Es importante destacar que esta imposibilidad no es una limitación de la tecnología, sino una ley física universal e inquebrantable.

Necesaria e inevitablemente, perderemos cierta cantidad de energía por el camino

Por supuesto, existen multitud de tecnologías para intentar aprovechar, en la medida de lo posible, esa energía perdida, pero la clave aquí es “en la medida de lo posible”. Sin ir más lejos, BMW se centra obsesivamente en el reaprovechamiento de la energía térmica de sus motores en muchos de sus últimos proyectos: generación de energía eléctrica a partir del calor del tubo de escape, encapsulado del motor para alcanzar más rápido la temperatura óptima… pero constituyen siempre mejoras parciales, el aprovechamiento nunca podrá ser completo.

Otro ejemplo muy claro de intento de aprovechamiento de la energía perdida es la frenada regenerativa. En un coche híbrido o eléctrico, el motor eléctrico se transforma en generador eléctrico en las frenadas, transformando la energía cinética del vehículo en energía eléctrica que puede ser aprovechada para volver a ponerlo en movimiento en vez de perderse en calor. Estos sistemas aprovechan alrededor de un 15% de la energía de la frenada y están condenados a no aprovechar nunca el 100% (aunque en este caso no se trate de una máquina térmica).

El concepto de entropía

Disco de freno

La suma del movimiento más el calor totaliza la energía inicial, pero esto no nos sirve de mucho

Por lo que hemos visto hasta ahora, en todo proceso de transformación de energía dentro de un coche, pasamos de una forma de energía “concentrada” (como una gota de combustible) a una combinación de movimiento más otra forma de energía “dispersa” que llamamos calor. La suma del movimiento más el calor totaliza la energía inicial, pero esto no nos sirve de mucho porque, parece ser, no podemos recuperar y volver a transformar todo el calor en movimiento. Por alguna razón está condenado a dispersarse y, por tanto, perderse como forma útil de energía; no se destruye pero, a efectos prácticos, sí que se pierde.

Pero ¿qué tipo de “condena” es esta? ¿no podemos escapar de ella y hacer “volver” esa energía en una forma útil? La “condena” se llama entropía creciente, y es el principio que subyace a la segunda ley de la termodinámica, su esencia misma. La entropía del universo es siempre creciente y no es posible hacerla retroceder, de forma que los procesos de transformación de energía son irreversibles y tienden a la dispersión de calor como forma última, la forma más inútil. No hay vuelta atrás, salvo con aportes de energía adicionales que generan siempre más calor que el que pretendemos reunir. Siempre, siempre, siempre.

Para reunir (ordenar) la energía dispersa (calor) en formas de energía concentradas es necesario un aporte adicional mayor que la energía que pretendemos recuperar. Se trata de un callejón sin salida

Tradicionalmente, la entropía se explica como desorden y la entropía creciente se traduce como desorden creciente. En realidad, lo que sucede es que el universo evoluciona irreversiblemente hacia situaciones más probables en su distribución de materia y energía, lo que se parece mucho al desorden de nuestra vida cotidiana aunque la similitud no es científicamente exacta.

Es más fácil dispersar cien canicas por el suelo de una habitación que reunirlas todas en una matriz perfecta de 10×10 justo en el centro. La razón última no es que en el centro estén ordenadas y que esparcidas por el suelo estén desordenadas, sino que existen infinitas posiciones a las que llamamos “desorden” y sólo una a la que llamamos “orden”, de forma que esta última es mucho menos probable que todas las desordenadas juntas. Las posiciones desordenadas tampoco se repiten exactamente, pero todas puntúan en la casilla del desorden.

En este ejemplo, las posiciones desordenadas tendrían una entropía mayor que la única posición ordenada y el concepto de entropía se asimilaría al desorden, que nunca se deshace espontáneamente sino sólo con aportes adicionales de energía. Por supuesto, esos aportes de energía adicional (una persona o una máquina que pueda alinear las canicas) generarían más desorden en otro sitio al alinear las canicas (calor derivado de la actividad muscular o mecánica) y ese desorden sólo puede ser mayor que el pequeño orden generado. Ese es el sentido en el que la entropía es siempre creciente y el proceso de dispersión irreversible.

Así, para reunir (ordenar) la energía dispersa (calor) en formas de energía concentradas es necesario un aporte adicional mayor que la energía que pretendemos recuperar. Se trata de un callejón sin salida.

Conclusiones

Gordon_Murray_T.27

Cuando hablamos de eficiencia, hablamos del intento tecnológico de aprovechar la mayor cantidad posible de energía para transformarla en trabajo útil

Nada escapa a las leyes de la termodinámica, tampoco el mundo del automóvil.

Cuando hablamos de eficiencia, hablamos del intento tecnológico de aprovechar la mayor cantidad posible de energía para transformarla en trabajo útil. La mayor posible, en general, no es ni puede ser mucha. En un coche con motor de combustión esta eficiencia es extremadamente baja, un despilfarro energético podríamos decir, pero no hay escapatoria y la dispersión de calor es el principal destino de la energía química contenida en el combustible, seguida a una distancia cada vez menor pero insalvable, por la deseada generación de movimiento.

Si “despilfarramos” la energía solar o la eólica, o cualquier a de las llamadas renovables, siempre estaremos haciendo algo mejor que no intentar aprovecharlas en absoluto

En un coche eléctrico, la eficiencia de su motor es mucho mayor. Hablamos de un 90% de rendimiento (frente al 40% de un diésel moderno), esto es, más del doble. Pero la energía eléctrica de una batería proviene a su vez de la red de suministro, que nos la trae desde centrales térmicas, nucleares, hidroeléctricas, solares, eólicas… en cada una de las cuales se producen diferentes rendimientos energéticos y diferentes “despilfarros” de calor. Tampoco hay escapatoria pero, en este caso, sí hay otro tipo de esperanza.

Si “despilfarramos” la energía solar o la eólica, o cualquiera de las llamadas renovables, siempre estaremos haciendo algo mejor que no intentar aprovecharlas en absoluto. No es tan importante que perdamos energía en cada proceso, si esa energía iba a perderse de todos modos de no existir paneles solares o molinos para intentar recogerla, aún con sus limitadísimos rendimientos.

Esa es la gran diferencia, y en esas estamos.

Fotos: Flickr de x-ray delta one | Newspress
En Tecmovia: Enemigos de la eficiencia: la resistencia aerodinámica | Enemigos de la eficiencia: la masa desplazada

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  • tan-tan

    interesante, me abrio la mente sobre la energía jaja

  • Juanpires1970

    Pues hay empresas que investigan aprovechando otras alternativas, como en autogen.es
    A ver si lo logran

  • Borrasj

    Magnifico, no solo no escapas del concepto de entropía, que es fundamental para entenderlo, si no que esta muy ejemplarizado. Gracias.

  • http://twitter.com/100xCIENCIA Jorge

    Lo leí ayer y se me olvidó comentarte: MAGNÍFICO. Deberían incluirlo en algunos libros de texto, quedaría mucho más claro. Me ha encantado 8-)

  • Daniel

    Las leyes de la termodinámica finalmente no sólo tocan la tecnología, sino también a nuestros valores morales, que nos hacen decidir siempre por un proceso u otro en cualquier plano de nuestra existencia. Nuestras decisiones que se transforman en acciones se pagan siempre con nuestra vida, el medio ambiente y la energía, que en conjunto se van degradando sin límite. Analizemos pues siempre lo que hacemos para evitar un mayor crecimiento de la entropía, o mejor diría yo, para crear menos basura.

  • ArticulosSalud

    Muy buena la explicacion, no olvides visitar:

    http://articulossalud.com

  • Manuel Barrera

    perfecta explicación pero no estoy de acuerdo con aprovechar la energía solar o eólica al menos la que tenemos hoy día, por que están fabricadas a base de no renovables y al final devuelve menos energía que la empleada en toda su vida útil, es decir otro despilfarro. un saludo

    • JJ

      Siento no estar de acuerdo contigo Manuel. Por la cuenta que nos trae más nos vale empezar a invertir en energía eólica, fotovoltaica, hidráulica, mareomotriz, etc. antes de que el petróleo y el gas se agoten, ya me contarás cuando nuestros recursos fósiles estén casi agotados y el precio sea prohibitivo como vamos a generar la energía para nuestras industrias, viviendas, movilidad, etc.

      ¿Con energia nuclear? Va a ser que no, si ya es prohibitivo poner en mar ha una central nuclear, imagínate cuando no tengamos petróleo barato.

      ¿Con centrales de carbon? Acabaremos gaseados como los chinos y con muchísimas miles de muertes prematuras.

      Por muy ineficientes que sean las energías renovables actualmente al menos nos llegan gratis del sol, del viento, de las mareas, etc., siempre estarán ahí.

      ¿Acaso te has preguntado el coste energético que tiene el litro de gasolina que llega al deposito de tu coche? Piénsalo, extracción a miles de kilometros de España, bombeo al petrolero y distribución con consumos desorbitados de estos megabarcos, nuevamente transporte y bombeo a las plantas de transformación en diferentes subproductos con otro gran coste energético. Nuevamente transporte en grandes camiones con recorridos de cientos de kilometros a la gasolinera y por ultimo nuevamente bombeo hasta tu deposito con un máximo del 40% de eficiencia con tu motor de combustión interna.

      Sinceramente, apuesto infinitamente mas por la energia renovable aun con su coste y baja producción que por este sinsentido actual con derroche y contaminación sin limites, en pocos años nos acordaremos de la energia barata de la que estamos disfrutando hasta ahora.

      • Manuel Barrera

        Muy buenas señor JJ, estoy de acuerdo con usted a que los combustibles fosiles actuales hay que desplazarlos como fuente primaria de energia, pero entendera usted que para conseguir eso debemos encontrar una fuente energetica con suministro estable que tenga una TRE (tasa de retorno energetica) superior a 3 y eso amigo mio hoy dia es tarea casi imposible. De hecho esas renovables que tu comentas no tienen una TRE superior a 1es decir son una ruina… estan implantadas a base de subvencion, solo la hidraulica es superior a 3. Por ahora la energia con mas paleletas a tomar ese puesto es la energia de fusion, pero requiere de materiales que son casi imposibles de encontrar o tecnologias dificiles. Un saludo y perdon por no poner acentos no me entiendo con este movil jeje.

  • osiris

    pues anda que tan pronto como quiten el coche que funciona con hidrógeno entonces si que sabréis lo que es ahorrar