La Revolución Industrial es un hito que introduce muchos de los rasgos que caracterizan el mundo actual. Trajo consigo cambios trascendentales, entre los que se encuentran: nuevas tecnologías, nuevas fuentes de energía, aumento sin precedentes en la cantidad de bienes producidos y un enorme incremento en el consumo de energía.
Hasta principios del siglo XVIII las fuentes energéticas más usadas eran la leña, los cursos de agua, el viento y la fuerza animal. La producción de bienes, mayoritariamente artesanal y doméstica, utilizaba principalmente la energía humana. En la Revolución Industrial el desarrollo tecnológico se aplicó a la producción con el objetivo de aumentar la cantidad de bienes producidos y de sustituir, en parte, la energía humana. Para ello se aplicaron conocimientos científicos de antaño y también se formularon nuevos principios y nuevas leyes.
El gran invento de la Revolución Industrial fue la máquina a vapor, que transformando energía térmica en trabajo, permitió la incorporación de nuevas fuentes de energía a la producción. Desde entonces, y hasta nuestros días, las fuentes energéticas más usadas son los combustibles fósiles: primero el carbón, luego el petróleo y el gas natural. Este tipo de combustibles pueden ser trasladados y acopiados con relativa facilidad, lo que permitió que la producción de bienes se realizara de manera constante, sin variaciones estacionales, y con independencia del lugar en que se hallara la fuente de energía.
Se formaron centros industriales en torno a los cuales se asentó la población trabajadora. Estas ciudades fueron íconos de la idea de progreso en la Europa Moderna y presentaron algunos de los rasgos típicos de las ciudades que conocemos actualmente, como una alta concentración de población y de contaminación ambiental.
Toda producción humana y toda transformación de la energía de un tipo en otro, libera energía y desechos al medio ambiente. Antes de la Revolución Industrial, la mayor parte de estos residuos lograban ser absorbidos por los ciclos naturales, pero la producción a gran escala y el uso intensivo de combustibles fósiles genera efectos perjudiciales en la biosfera, a corto, mediano y largo plazo, porque libera gases (anhídrido carbónico, óxidos de azufre, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno) y partículas sólidas, que contaminan el suelo, el agua y la atmósfera.
Desde el siglo XVIII, los países industrializados necesitaron cada vez más energía para mantener sus actividades productivas y sociales cotidianas, aumentando, así, el consumo energético per cápita y provocando el calentamiento global, entre otros efectos.
En ese entonces, la idea de eficiencia en el uso de la energía estaba a tono con la idea de progreso, pues solo buscaba el máximo rendimiento energético de las máquinas con el fin de aumentar su productividad. En la actualidad, la eficiencia energética incorpora también entre sus objetivos el disminuir los efectos ambientales de los procesos de transformación de la energía, teniendo en consideración el tipo de combustibles utilizados y el potencial agotamiento de los recursos.
Hoy en día el desafío de los países es congeniar su desarrollo industrial, tecnológico y de servicios -actividades que tradicionalmente se han asociado a un aumento en los consumos de energía- con la sustentabilidad ambiental, la conservación de la naturaleza, el evitar la polución de los ecosistemas y respetar las comunidades tradicionales donde existen recursos energéticos. Hay naciones en que este desafío se ha ido logrando, y su crecimiento económico ya no implica un aumento en la misma proporción en su consumo de energía; otros países, en cambio, deben aún implementar medidas en esa dirección. Este es el caso de Chile.
En las políticas delineadas para lograr aquel desafío se pueden distinguir tres ejes:
Eficiencia Energética
Los seres humanos siempre hemos utilizado energía para generar trabajo. La hemos obtenido directamente de variadas fuentes, como el Sol, el agua, el viento, los animales, etc., transformándola en energía mecánica, con el fin de facilitar y mejorar nuestras labores. Por ejemplo, los herbívoros transforman la energía química almacenada en las plantas en energía mecánica, que usamos para arar la tierra o para transportarnos. También hemos desarrollado tecnologías y máquinas que nos han permitido utilizar nuevas fuentes energéticas, transformar la energía de un tipo en otro y generar trabajo.
Energía es la cantidad de trabajo que un sistema es capaz de producir. El trabajo es el desplazamiento de un objeto debido a la aplicación de una fuerza. La energía no es un componente material de los objetos, sino que acompaña a la materia en una cantidad medible. La energía se presenta en diferentes formas: calórica (térmica), lumínica, mecánica, eléctrica, química o nuclear.
La Eficiencia Energética (EE) es el conjunto de acciones que permiten optimizar la relación entre la cantidad de energía consumida en un proceso y los rendimientos o productos finales. Eficiencia Energética es generar más trabajo sin aumentar la cantidad de energía utilizada.
Para incrementar el trabajo que realiza una máquina existen dos caminos posibles: suministrarle mayor cantidad de energía, o bien, aprovechar mejor la energía suministrada, aumentando su rendimiento.
El rendimiento de las máquinas preocupó a los hombres de ciencia, al menos, desde los albores de la industrialización. Alimentadas de combustibles fósiles que generan energía térmica, el desarrollo de máquinas, capaces de aumentar la producción en cantidades inimaginables, fue acompañada por la observación científica de cómo la energía calórica de un combustible se transforma en trabajo.
Si bien las investigaciones científicas sobre la conversión de la energía térmica de un combustible en trabajo se remontan al siglo XVI (cuando se inventó el termómetro) y sus aplicaciones prácticas a fines del siglo XVII (con la bomba de vapor de Savery), es en 1850 aproximadamente cuando se sistematizan y redactan un conjunto de postulados y leyes científicas que dieron cuerpo a la Termodinámica.
Termodinámica
La termodinámica surgió como una rama de la ciencia ocupada de las relaciones entre calor (termo) y trabajo (dinámica).
La termodinámica estudia los intercambios de energía entre un sistema y su entorno. Un sistema intercambia energía con su entorno de dos formas: como calor o como trabajo. El sistema puede ser cualquier objeto, cantidad de materia, porción del espacio, etc., que se selecciona para estudiarlo y se aísla, mentalmente, de todo lo demás. La distinción entre sistema y entorno es arbitraria: sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar. El sistema y su entorno forman el universo.
Según el grado de intercambio que existe entre un sistema y su entorno, se reconocen los siguientes tipos de sistema:
Los científicos observaron que en cualquier sistema y su entorno, la energía se conserva, no se crea ni se destruye, solamente se transforma de un tipo a otro y su suma total dentro del sistema permanece invariable en el tiempo. Por eso, la energía que un sistema pierde, es ganada por el entorno y viceversa. Esto se conoce como principio de conservación de la energía y constituye la Primera Ley de la Termodinámica. La termodinámica trabaja con sistemas cerrados.
En cada una de aquellas conversiones de un tipo de energía en otro, parte de la energía se transforma en energía calórica, que se disipa fácilmente en el espacio. Esto es materia de la Segunda Ley de la Termodinámica, que pone límites a los traspasos de energía y se refiere a su dirección.
La Segunda Ley de la Termodinámica señala que solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso de calor de un sistema con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura, pues espontáneamente el calor pasa de los sistemas calientes a los fríos, hasta que se igualan sus temperaturas. Para que el calor siga la dirección contraria se necesita de trabajo adicional, como ocurre dentro de un refrigerador.
Máquinas térmicas
Las bombas de agua, que se usaron en la minería desde fines del siglo XVII, y las maquinas a vapor, que aplicadas a la industria hicieron posible la Revolución Industrial y que luego se adaptaron al trasporte marítimo y terrestre, son máquinas térmicas.
Una máquina térmica es un aparato que transforma calor en trabajo. Estas máquinas funcionan entre una fuente fría y una fuente caliente. La fuente caliente suele ser una caldera donde se introduce el combustible; la fuente fría suele ser la atmósfera.
La máquina térmica se vale de una sustancia de trabajo - como el vapor- que absorbe calor de la fuente caliente y genera trabajo.
Máximo rendimiento de una máquina térmica y entropía
La Segunda Ley de la Termodinámica también establece los límites de la eficiencia de una máquina térmica. El físico Nicolás Carnot, conocido como el padre de la termodinámica, calculó el rendimiento máximo, la máxima eficiencia, de una máquina térmica ideal. El rendimiento de Carnot es teórico, el rendimiento de una máquina térmica real es siempre menor que el de Carnot.
Este rendimiento se calcula en función a la temperatura de la fuente caliente y la fuente fría y siempre es menor que uno
Según esta fórmula, la máxima eficiencia posible de una máquina térmica es del 35%, con respecto a la energía que se le suministra a la máquina y que transforma en trabajo. El 65% restante se disipa al ambiente en forma de calor. Pero el rendimiento de esta máquina no existe en el mundo real.
Los postulados de esta segunda ley están basados completamente en la idea de entropía. La entropía es la tendencia natural de los sistemas a pasar de estados ordenados a estados desordenados, al desgaste, al caos. Siempre que hay diferencias de temperatura, y el calor circula, la entropía aumenta. El estado de equilibrio es el estado de máxima entropía.
Entropía también se define como la fracción de energía de un sistema que no es posible convertir en trabajo. En un sistema real se realiza menos trabajo y se desprende más calor que en un sistema ideal, como el de Carnot, pues la entropía que sale es mayor a la que entra. Todos los sistemas, vivos e inertes, generan entropía, que proviene, por ejemplo, del roce o de las variaciones de temperatura en el calor suministrado.
Entropía y cuidado del medio ambiente
Si observáramos sólo lo que propone la Primera Ley de la Termodinámica, tendríamos que peguntarnos: ¿por qué actualmente se dice que existe una crisis de energía? Si la cantidad de energía es constante, ¿por qué hay que preocuparse y buscar la Eficiencia Energética?
Resulta que, según dicta la Segunda Ley, la cantidad de energía es constante pero no la calidad de esta. Siempre que se genera trabajo, se libera energía al ambiente, que ya no es utilizable para realizar nuevos trabajos o procesos: es la entropía del sistema.
Los seres humanos somos grandes productores de entropía. Al igual que todos los seres vivos, no somos 100% eficientes y parte de la energía que consumimos en los alimentos no es aprovechada en nuestras actividades biológicas y se elimina como calor, aumentando la entropía del entorno. Una demostración de la entropía en los seres vivos, es su desgaste, su envejecimiento y su muerte.
Las maquinas que los seres humanos construimos para aumentar la producción y que perfeccionamos, gracias a los conocimientos científicos, con el objetivo de mejorar su rendimiento y, por lo tanto, su eficiencia energética, generaron que desde la Revolución Industrial hasta nuestros días, aumentara la cantidad de energía no utilizable que eliminamos al entorno.
En estos cientos de años, hemos aprendido que el progreso ha producido un desgaste acelerado de los recursos existentes (los materiales y la energía disponible), generando efectos perjudiciales para el ambiente. Por ello, hoy en día el uso eficiente de la energía tiene como objetivo no solo el aumento de la producción con el fin de satisfacer las crecientes necesidades de una población cada vez más numerosa, sino también el disminuir la cantidad de energía y materia no utilizable en nuevos procesos. La Segunda Ley de la Termodinámica nos enseña que es inevitable que estos efectos se produzcan: no es posible cortar un árbol y mantenerlo al mismo tiempo, pero también nos enseña que es posible reducir la entropía haciendo más eficientes los procesos.
Actualmente, para remediar y/o aminorar la crisis energética y medio ambiental, el uso eficiente de los recursos es clave y se presenta combinado con el ahorro y la utilización de fuentes de energía menos contaminantes.
