Química General

Naturaleza de la energía y los tipos de energía

Para comprender y diferenciar los tipos de energía es necesario definir el concepto sobre el cual se centrará todo este artículo, y es la energía. Raymond Chang, define la energía como la capacidad para efectuar un trabajo. Y el trabajo, dentro del contexto de la química el mismo autor lo define, como el cambio de energía que resulta de un proceso.

Existen diversos tipos de energía, pero no todas son de gran interés en el entorno de la química. Por consiguiente, a continuación describiremos brevemente cinco tipos de energía fundamentales.

Iniciemos hablando de la energía cinética, esta es la energía producida por un objeto que se encuentra en movimiento.

La energía radiante, es la energía proveniente de la radiación del Sol que alcanza la Tierra.

La energía térmica, es la energía contenida en el movimiento aleatorio o vibraciones de los átomos y las moléculas. La cantidad de energía térmica en un sistema es directamente proporcional a la temperatura del mismo y está estrechamente relacionada con la cantidad de moléculas y átomos.

La energía química, es una forma de energía que se almacena en las unidades estructurales de las sustancias. Para que se entienda mejor, es la energía contenida en los enlaces o rupturas de dos átomos.

La energía potencial, es la energía disponible en función de la posición de un objeto o cuerpo.

La ley de la conservación de la energía dice que: “la energía total del universo permanece constante”, esto expone básicamente que cuando desaparece una forma de energía debe aparecer otra de igual magnitud, y viceversa.

Analicemos algunos casos cotidianos donde se aplica la ley de conservación de la energía. Un ejemplo es el carrito de una montaña rusa, cuando el mismo se encuentra en la cima y antes de iniciar el descenso está cargado de energía potencial, está energía se convierte en energía cinética a medida que desciende y será suficiente para llevarlo hasta un punto de desplazamiento máximo en cuanto termina la caída, para nuevamente empezar a ascender. ¿Cuándo cree usted que será mayor la cantidad de energía, cuándo el carrito se encuentre lleno de pasajeros o vacío? Sí pensaste en la primera opción estás en lo cierto, pues en este caso el carrito llevará una mayor cantidad de masa, lo que aumentará la cantidad de energía.

Veamos otro caso cotidiano, cuando jugamos con un amigo y una pelota de béisbol por ejemplo, note que al lanzar la pelota en reposo usted debe imprimirle una cantidad de fuerza, la cual es convertida en energía cinética a través del recorrido de la pelota, para su compañero atraparla deberá vencer está energía con un trabajo de igual magnitud que permita que la misma detenga su trayectoria. En caso de que la pelota sea más grande, mayor deberá ser el trabajo realizado por su amigo para frenar su recorrido, porque la masa será mayor y por ende la energía cinética a vencer.

Cambios de energía en las reacciones químicas

Para entender los cambios de energía en las reacciones químicas debemos primero que nada afinar algunos conceptos esenciales, iniciando por el concepto de calor. El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que tienen un gradiente o diferencia de temperatura. ¿Por qué es importante comprender el concepto de calor antes de hablar de los cambios de energía en las reacciones químicas? Sencillo, porque cuando ocurren reacciones químicas, en la mayoría de los casos, se libera o absorbe energía, y por lo general, está energía viene en forma de calor, siendo la termoquímica la disciplina que estudia los cambios de calor en las reacciones químicas.

Cuando nuestro objetivo es definir los cambios de energía asociados a las reacciones químicas se debe definir el sistema y los alrededores. El sistema es la porción de interés del universo y los alrededores vienen a ser el resto del universo externo al sistema, en química solemos delimitar convenientemente el sistema, de tal manera que se incluyan las sustancias involucradas en los cambios físicos y químicos.

Existen tres tipos de sistemas: abiertos, cerrados y asilados. Los sistemas abiertos son capaces de intercambiar masa y energía con los alrededores, los sistemas cerrados permiten la transferencia de energía pero no de masa y por último tenemos los sistemas aislados que no permiten transferencia de ningún tipo con los alrededores.

Veámoslo en un ejemplo sencillo, observe la ilustración 1 e imagine que tiene un vaso de vidrio abierto con cierto nivel de agua, este vaso representará el sistema, y note que podrá existir intercambio de masa y de energía térmica entre el sistema y los alrededores, bien sea a través de las paredes de vidrio del vaso o a través de la abertura del mismo, esto es lo que se considera como un sistema abierto. Ahora, usted decide colocarle una tapa al recipiente de vidrio, las moléculas de agua que se evaporen se encontrarán con la tapa y no podrán abandonar el sistema ni moléculas de los alrededores podrán penetrarlo, sin embargo a través de las paredes del vaso aún podrá existir intercambio de energía, esto es lo que llamamos un sistema cerrado. Pero si por último usted toma el agua y la vierte en un envase térmico cerrado, ya no existe manera de que la masa ni la energía del sistema puedan interactuar con los alrededores, y esto es lo que se conoce como un sistema aislado.

Recuerde que habíamos mencionado que en la mayoría de las reacciones químicas se absorbe o libera energía en forma de calor, esto será teniendo como referencia el sistema y los alrededores, quienes serán los protagonistas del intercambio de calor. De aquí nacen los procesos endotérmicos y exotérmicos.

Un proceso exotérmico es cualquier proceso que ceda calor, es decir, que transfiere  energía térmica desde el sistema hacia los alrededores. En el caso de una reacción química, se muestra, en la ilustración 2, que sí al colocar en contacto los reactivos A y B, además de originarse los productos C y D se libera energía, estamos en presencia de un proceso exotérmico, ya que está energía se va a transferir a los alrededores en forma de calor. Lo que nos lleva de manera intuitiva a definir un proceso endotérmico, este es un proceso que para  llevarse a cabo necesita recurrir a la energía de los alrededores y así suministrar el calor requerido por el sistema, observe en la misma ilustración que para obtener los productos C y D, además de los reactivos A y B es necesario que se le adicione energía, que por lo general es tomada de los alrededores.