Publicado: 8 de marzo de 2024
Colaboradores: Tom Krantz y Alexandra Jonker
La energía térmica es la energía dentro de un sistema que se crea por el movimiento aleatorio de moléculas y átomos. A medida que aumenta el movimiento, se produce más energía. Esta energía se transfiere en forma de calor.
El flujo de energía térmica de un sistema a otro es la base de una rama de la física conocida como termodinámica. Los científicos han dado pasos agigantados de innovación en las ciencias físicas gracias a los descubrimientos en el campo de la termodinámica. Hoy en día, estos descubrimientos están ayudando a abastecer una nueva era de alternativas energéticas.
En esta publicación, nos propusimos brindarle pautas para ayudarle con su enfoque de los informes ESG.
Predecir la demanda de energía
El origen del término “energía térmica” se remonta a la antigüedad (alrededor del 500 a. C.). Sin embargo, su descubrimiento a menudo se atribuye a James Prescott Joule, un físico, matemático y cervecero inglés del siglo XIX.
Joule experimentó con la conversión mecánica de energía y notó que, cuanto más manipulaba la velocidad de una sustancia, más se calentaba. Al observar los cambios de temperatura a través de la fricción y las reacciones químicas, Joule descubrió que la energía puede manifestarse en diferentes formas, como el calor, y que existía una correlación directa entre el calor y el trabajo mecánico (energía transferida hacia o desde un objeto mediante la aplicación de fuerza).
Joule y sus descubrimientos fueron recibidos con escepticismo a lo largo de su carrera. Y, sin embargo, ahora medimos la cantidad de trabajo producido por un sistema en joules, una unidad de energía que forma parte del Sistema Internacional de Unidades (unidad SI). Sus descubrimientos sentaron las bases para la ley de conservación de la energía, que establece que la energía total de un sistema aislado permanece constante. Este descubrimiento llevó a la creación de la primera ley de la termodinámica.
Entre las cuatro ciencias físicas, la termodinámica es una rama de la física que se centra en el calor, el trabajo y la temperatura y explora su relación con la energía, la entropía y las propiedades físicas, como la materia y la radiación. Los comportamientos observados entre estos elementos se rigen por cuatro leyes:
Inicialmente, la ley cero no se consideraba una ley independiente de la termodinámica, ya que está implícita en las otras tres leyes. Se centra en el equilibrio térmico, que es cuando dos objetos muy próximos alcanzan la misma temperatura y ya no intercambian energía térmica (como cuando el agua caliente y una taza fría alcanzan la temperatura ambiente). La ley establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, también están en equilibrio térmico entre sí. En muchos sentidos, la ley cero funciona como una propiedad transitiva.
Representada como una fórmula, la primera ley de la termodinámica es una expresión de la ley de conservación de la energía. Establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transformar de una forma de energía a otra. Por lo tanto, el calor dentro de un sistema será igual al calor procedente de una fuente.
En su forma más simple, la segunda ley de la termodinámica establece que el calor fluye espontáneamente de las regiones más cálidas a las regiones más frías. Sin embargo, prohíbe lo contrario: el calor no fluirá espontáneamente de las regiones frías a las regiones cálidas. Esta distinción es clave, ya que establece el concepto de entropía (el grado de desorden o incertidumbre en un sistema) como una propiedad física. La entropía aumentará hasta que alcance su altura en el equilibrio térmico.
Aunque se considera imposible, la tercera ley de la termodinámica establece que, a medida que la temperatura de un sistema se acerca al cero absoluto, la entropía del sistema se acercará a un valor mínimo. El concepto de cero absoluto, en el que toda la actividad dentro de un sistema se detiene, se considera inalcanzable, ya que las moléculas nunca pueden quedar completamente inmóviles. Sin embargo, se teoriza que el punto cero, o la temperatura más baja posible, es de -273,15 grados Celsius (o -459,67 grados Fahrenheit) en la escala de temperatura Kelvin.
La energía puede clasificarse como energía cinética o potencial. La energía cinética se mide por el movimiento de un objeto y representa la masa y la velocidad. La energía potencial es el potencial de un objeto para moverse en función de varios factores, como su posición (¿el objeto está suspendido en el aire o en el suelo?), propiedades (¿de qué está hecho el objeto?) y su relación con otros objetos (¿podría otro objeto hacer que se mueva?).
Consideremos una pelota que cuelga de una cuerda. Mientras la pelota cuelga, almacena energía potencial. No está en movimiento, pero podría, ya que la gravedad actúa sobre él como fuerza potencial. Si se cortara la cuerda y la pelota cayera, tendría energía cinética porque es un objeto en movimiento. Algunos ejemplos destacados de energía potencial y cinética incluyen:
Energía almacenada en los enlaces de átomos y moléculas.
Energía almacenada dentro de un átomo que mantiene unido el núcleo.
Energía almacenada en un objeto en función de su posición en un campo gravitacional.
Energía entregada a través de partículas cargadas llamadas electrones.
Energía entregada a través de radiación electromagnética.
Energía suministrada por el calor o el movimiento de los átomos.
La energía térmica es la energía cinética total dentro de un sistema, observada como energía cinética de vibración, rotación o traslación. Sin embargo, también hay una energía "oculta" (más bien, microscópica) que existe en forma de energía interna que considera todas las partículas de un sistema y representa tanto la energía cinética como la potencial.
La energía térmica se puede transferir a través de tres métodos: conducción, convección y radiación. Para comprender mejor cómo funciona cada una, pensemos en una olla de agua hirviendo en una estufa.
- La conducción es el flujo de energía a través de materiales estables. A medida que la llama calienta la olla, la energía viaja por todo el objeto y aumenta la temperatura de su superficie.
- La convección es el flujo de energía a través del movimiento de un fluido. A medida que la olla se calienta, el agua se ajusta a la diferencia de temperatura. El agua caliente sube a la superficie a medida que el agua fría desciende, creando una corriente circular conocida como movimiento de masa de fluido.
- La radiación es el flujo de energía a través de ondas. La energía cinética de la llama viaja a través de ondas electromagnéticas y se convierte en calor una vez que toca un objeto, en este caso, la olla.
El calor que se distribuye en este ejemplo pasa por tres estados: sólido, líquido y gaseoso. La energía térmica puede alterar los objetos en cada estado e incluso iniciar un cambio de fase en función de la cantidad de calor aplicada. Esto depende del calor latente y sensible.
El calor latente se refiere a la cantidad de calor o energía necesaria para desencadenar un cambio de fase (convertir el agua hirviendo en vapor). El calor sensible se refiere a la energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia (la llama que calienta la olla). Cada objeto tiene su propia capacidad térmica específica, que es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura en un grado Celsius. El agua tiene un calor específico alto, lo que significa que se necesita mucha energía para elevar su temperatura, mientras que el aire tiene un calor específico bajo, ya que los gases suelen tener una capacidad calorífica específica más baja.
La energía térmica a menudo se usa indistintamente con el calor, aunque hay pequeños matices. La energía térmica se refiere al movimiento de moléculas y átomos dentro de un sistema. El calor, por otro lado, es la transferencia o flujo de energía térmica de un sistema a otro. Tanto la energía térmica como el calor se miden en joules.
La temperatura se refiere a la energía cinética promedio generada dentro de un sistema y se mide en grados Celsius, Fahrenheit, Kelvin o Rankine. Es importante tener en cuenta que la temperatura registra el "calor" o "frialdad" de un objeto en un momento específico, pero no su energía. Por ejemplo, la temperatura no puede indicar la cantidad de calor que sale de un sistema.
Otra forma de pensar sobre la relación entre los tres es que la energía térmica es la cantidad total de energía en un sistema, el calor es el flujo de energía de ese sistema a otro y la temperatura es la energía cinética promedio de las moléculas.
En un momento en que están aumentando las preocupaciones sobre el cambio climático, también está creciendo el impulso para que las empresas avancen hacia operaciones con estado cero neto. La energía térmica ofrece a las organizaciones la oportunidad de adoptar fuentes de energía renovables y dejar de usar combustibles fósiles.
La energía solar se produce al recolectar y concentrar los rayos solares. A través de reflectores y receptores, la energía del sol se amplifica y apunta a un tubo que contiene un fluido de transferencia de calor. Este proceso activa una turbina de agua, que produce electricidad.
La energía geotérmica se puede encontrar en la corteza terrestre, lo que la convierte en un recurso abundante. Se obtiene mediante la perforación profunda en presas donde puede fluir agua caliente. El agua se aprovecha y emplea para impulsar turbinas que producen electricidad.
La conversión de energía maremotérmica (OTEC, por sus siglas en inglés) utiliza la variación de la temperatura del océano (más cálida en la superficie, más fría en la profundidad) para producir trabajo útil, normalmente en forma de electricidad. La OTEC es una alternativa viable dada la abundancia de agua del océano y su alto factor de capacidad.
Aprovechar la energía térmica como fuente de energía renovable puede ser una manera eficaz para que las empresas diversifiquen su estrategia de gestión de energía. Además, puede ayudarles a evitar cualquier daño adicional al planeta al reducir el consumo y mejorar la conservación de energía.
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La energía renovable es la energía generada a partir de fuentes naturales que se reponen más rápido de lo que se utilizan.
Le presentamos un breve resumen de cómo evolucionaron las diferentes formas de generación de energía renovable para diversificar el sector energético global y el suministro de energía mundial.
La gestión de energía <strong>es el monitoreo, el control y la optimización proactiva y sistemática del consumo de energía de una organización</strong> para conservar el uso y disminuir los costos energéticos.