Energía, unidades de medida y conceptos

¿Pero qué es la energía?

La definición abstracta de energía como una magnitud física, se aleja del significado que se le puede dar en su uso diario. Teniendo en cuenta la importancia de la energía en física, es un concepto fundamental para poder desarrollar una elevada calidad energética en la sociedad.

De una forma rápida, las unidades de medida de energía se resumen en la siguiente tabla.

Pero entrando en una definición y sin ser muy riguroso podríamos decir que es una medida de la capacidad de un ente físico para producir trabajo (magnitud asociada a la fuerza y al movimiento).

la energía es la capacidad para realizar un trabajo

Esta capacidad existe aunque no se llegue a realizar este trabajo. Por ejemplo si un niño tira un juguete desde un balcón, dicho juguete ya tenía anteriormente una energía (energía potencial) que hace que pueda llegar al suelo, para luego quedar destrozado.

Una de las propiedades de la energía es que no se puede crear, ni tampoco destruir. Cuando interaccionan los objetos entre sí pueden variar las magnitudes que determinan la cantidad de energía pero aunque existan intercambios de energía siempre permanecerá constante la suma de todas sus energías.

Es lo que se conoce como el Principio de Conservación de la Energía.

Los objetos del universo poseen energía por diversas causas:

• Velocidad a la que se mueven.
• Por su posición.
• Por la cantidad de masa que poseen.

Esto no es del todo cierto (si desde un punto de vista del universo), ya que hay energías que se prestan más que otras a ser transformadas. En todas las transformaciones de energía hay alguna cantidad que se convierte en calor y se disipa en el ambiente, quedando en forma no utilizable.

Que importancia tiene para la sociedad el uso y la producción de energía se desarrolla a lo largo de toda nuestra web.

Unidades de energía, medidas en el mundo

Te puedes preguntar como se mide la energía. A lo largo de los siglos se han establecido multitud de unidades según los países y las características y el comportamiento de la energía con algunas sustancias, como el agua.

La unidad de energía es el julio y se define como el trabajo que realiza una fuerza de un newton para conseguir el desplazamiento de un metro, en la dirección de la fuerza. Esta definición está dentro del sistema internacional.

Pero no es la única unidad que existe en el mundo. Entre las unidades que podemos encontrar destacan:

• BTU (unidad térmica británica) = 1055,1 J
• Caloría = 4,18 J
• tep (tonelada equivalente de petroleo) = 4,18 x 10¹⁰ J
• kWh (Kilo vatio hora) = 3,6 x 10⁶ J (Unidad de potencia)

Las unidades de energía son magnitudes físicas que nos permiten medir y comparar diferentes formas de energía.

En este artículo exploraremos los sistemas de unidades, convertidores de energía y las unidades de masa, potencia y calor más utilizadas.

También veremos cómo se aplican estas unidades en el contexto de la física nuclear, la evaluación de la calidad energética y el estudio de diferentes tipos y fuentes de energía.

Además, responderemos algunas preguntas frecuentes sobre el tema y proporcionaremos recursos adicionales. La medición de la energía es fundamental para comprender su papel en nuestra vida diaria y en distintos sectores. 

Sistemas de unidades y convertidores de energía

Unidades de masa: kilogramo y sus equivalencias en unidades de energía

La unidad de masa utilizada en la mayoría de los sistemas de unidades es el kilogramo (kg), definido como la masa del prototipo internacional del kilogramo. Aunque la masa y la energía son magnitudes diferentes, existen equivalencias entre ellas debido a la famosa ecuación E = mc² de Einstein. Esta ecuación establece que la energía (E) es igual a la masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado (c²). Por lo tanto, es posible expresar la energía en kilogramos multiplicando la masa por la velocidad de la luz al cuadrado.

Unidades de potencia: vatio y kilovatio-hora

La potencia es una medida de la rapidez con la que se realiza un trabajo o se transfiere energía. La unidad estándar de potencia en el sistema internacional de unidades (SI) es el vatio (W), que equivale a un julio por segundo. El kilovatio (kW) es igual a mil vatios. Además de la unidad de potencia, es común utilizar el kilovatio-hora (kWh) como unidad para medir la cantidad de energía consumida o generada en un determinado período de tiempo. Esto es especialmente útil cuando se trata de la facturación de electricidad.

Unidades de calor: julio, caloría y BTU

El julio (J) es la unidad estándar de energía en el sistema internacional y se utiliza para medir la energía térmica en procesos físicos y químicos. Una caloría (cal) es una unidad de energía obsoleta que se utilizaba para medir el calor, pero ahora se considera equivalente a 4.184 julios. Además, en algunos contextos, especialmente en países anglosajones, se utiliza la unidad de energía denominada British Thermal Unit (BTU). Un BTU es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit. Un BTU equivale aproximadamente a 1055 julios.

• El kilogramo (kg) es la unidad de masa utilizada en la mayoría de los sistemas de unidades.
• La ecuación E = mc² de Einstein permite establecer equivalencias entre la masa y la energía.
• La potencia se mide en vatios (W) y el kilovatio (kW) equivale a mil vatios.
• El kilovatio-hora (kWh) se utiliza para medir la cantidad de energía consumida o generada en un período de tiempo.
• El julio (J) es la unidad estándar de energía en el SI y se utiliza para medir la energía térmica.
• La caloría (cal) se considera equivalente a 4.184 julios.
• El British Thermal Unit (BTU) es una unidad de energía utilizada en algunos países anglosajones.
• Un BTU equivale aproximadamente a 1055 julios.

Unidades de energía en el contexto de la física nuclear

La física nuclear es un campo de estudio que se ocupa de las propiedades y comportamiento de los núcleos atómicos y de las partículas subatómicas. En este contexto, se utilizan unidades de medida específicas para cuantificar y analizar la energía involucrada en los procesos nucleares.

kcal/kg, tec y tep como unidades de medida

En la física nuclear, se emplean diferentes unidades de medida para expresar la energía. Las kilocalorías por kilogramo (kcal/kg) se utilizan para evaluar la energía liberada durante reacciones nucleares específicas, como la fisión o la fusión nuclear. Estas unidades permiten determinar cuánta energía se obtiene a partir de la masa de un kilogramo de un material nuclear o combustible específico.

Por otro lado, las toneladas equivalentes de carbón (tec) y las toneladas equivalentes de petróleo (tep) son unidades que comparan la energía liberada por una fuente nuclear con la energía producida por una cantidad equivalente de carbón o petróleo, respectivamente. Estas unidades facilitan la comparación y evaluación de distintas fuentes de energía en términos de su potencial de generación energética.

La importancia de evaluar la calidad energética

En el ámbito de la física nuclear, también es relevante evaluar la calidad energética de las distintas fuentes nucleares. En este caso, se utilizan unidades como los eficiencia-end–use (ceh) y los faktor-joule (fj) para determinar la eficiencia energética y la calidad de la energía generada por una fuente nuclear.

La eficiencia-end–use se refiere a la relación entre la energía útil producida y la energía total invertida en un proceso o sistema nuclear. Por otro lado, el faktor-joule mide la calidad de la energía generada por una fuente nuclear, teniendo en cuenta factores como la estabilidad, la disponibilidad y la capacidad de respuesta a las demandas energéticas.

La evaluación de la calidad energética en el contexto de la física nuclear es fundamental para determinar la eficacia y viabilidad de las fuentes de energía nuclear, así como para tomar decisiones informadas sobre su implementación y desarrollo en distintos ámbitos.

Tipos de energía, una clasificación completa

Nos podemos preguntar que tipo de energía utiliza una caldera de gas, genera el movimiento de un vehículo o aporta electricidad a una ciudad.

Pero las formas de energía que se muestran en la naturaleza se pueden clasificar de la siguiente forma. Estas clases de energía son diferentes caras del mismo concepto, pero así es más fácil entenderlo globalmente.

Diferentes tipos y fuentes de energía

La energía es una magnitud fundamental en la naturaleza que se manifiesta de diversas formas y se obtiene de distintas fuentes. En esta sección, exploraremos los diferentes tipos de energía y las fuentes que las generan. Estos conocimientos son fundamentales para comprender cómo se utilizan las unidades de energía en contextos específicos.

Energía solar, eólica, hidráulica, de biomasa y otras fuentes renovables

Las fuentes de energía renovables son aquellas que se obtienen de fuentes naturales que son inagotables o se regeneran de forma constante. La energía solar es una de las más conocidas y se obtiene aprovechando la radiación del sol a través de paneles solares. La energía eólica proviene del viento y se obtiene mediante aerogeneradores. Por otro lado, la energía hidráulica se obtiene del flujo del agua en ríos o embalses, aprovechando su movimiento para generar electricidad. Además, la energía de biomasa se obtiene a partir de materia orgánica como residuos vegetales o excrementos animales.

Otras fuentes de energía renovables incluyen la energía geotérmica, obtenida del calor del interior de la Tierra, y la energía mareomotriz, que aprovecha las mareas en zonas costeras para generar electricidad. Estas fuentes de energía limpia y sostenible juegan un papel importante en la transición hacia un modelo energético más respetuoso con el medio ambiente.

Energía cinética, la del movimiento

La experiencia nos dice que los cuerpos en determinadas circunstancias pueden producir un trabajo.

Por ejemplo, una bala al atravesar un trozo de madera produce un trabajo venciendo la resistencia a la penetración que produce la madera.

Otro ejemplo, el viento al soplar sobre las velas de un barco lo pone en movimiento y produce un trabajo.

Como la energía es la capacidad de un cuerpo para efectuar un trabajo y la energía se mide por el trabajo que puede realizar se define la energía cinética por el trabajo que puede producir una masa dotada de velocidad.

La energía cinética de una masa en movimiento viene definida por su masa y su velocidad al cuadrado

Energía potencial, según la posición que ocupo así es mi energía

No solo los cuerpos en movimiento producen energía. Una pelota de tenis sujetada con la mano a una determinada altura posee una capacidad o potencial de efectuar un trabajo cuando la soltamos.

Un arco en tensión también posee energía potencial que se convierte en cinética cuando se dispara. En este caso la energía potencial es elástica.

Energía eléctrica, fundamental en la sociedad actual

Es la forma de energía que resulta de la diferencia de potencial entre dos puntos que si se unen con un material conductor producen una corriente eléctrica con la que se obtiene trabajo.

Aunque algunos edificios se calientan utilizando la energía eléctrica, su uso más común es dotar de energía mecánica y lumínica a los edificios.

Energía hidráulica, el poder del agua

La energía hidráulica, hídrica o hidroenergía es aquella que se obtiene de aprovechar las energías cinéticas y potencial de una corriente de agua.

Energía eólica, el viento y su movimiento

Energía obtenida el viento mediante el aprovechamiento de la energía cinética provocada por efecto de las corrientes de aire y que se transmite a un molino para su posterior transformación en electricidad.

Energía solar, el sol como generador

Es la obtenida a partir de la captación de su radiación ya sea en forma de calor (solar térmica) o electromagnética (solar fotovoltaica).

Energía mareomotriz, el mar y su movimiento

Es la que se obtiene captando la energía de las mareas mediante un alternador que se puede usar para generar electricidad.

Energía de la biomasa, restos vegetales para producir energía

La biomasa es toda materia orgánica de origen vegetal que almacenan energía gracias a la fotosíntesis, que tiene lugar cuando la luz solar en combinación con agua, sales minerales y dióxido de carbono hace que se desarrolle.

Más tipos de energía

Energía nuclear y otras fuentes no renovables

Además de las fuentes renovables, existen fuentes de energía no renovables que se basan en recursos naturales limitados. La energía nuclear es una de ellas y se obtiene mediante reacciones nucleares en reactores como las centrales nucleares. Aunque proporciona grandes cantidades de energía, su uso plantea preocupaciones en términos de seguridad y gestión de residuos radiactivos.

Otras fuentes no renovables incluyen los combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón. Estos recursos se formaron a lo largo de millones de años a partir de materia orgánica, pero su extracción y quema contribuyen a la generación de gases de efecto invernadero y al cambio climático. Es esencial buscar alternativas sostenibles para reducir nuestra dependencia de estas fuentes no renovables.

Vectores energéticos y su importancia en el consumo de energía

Los vectores energéticos son sustancias o formas de energía que se utilizan para almacenar, transportar y distribuir la energía desde su fuente de generación hasta su destino final. Algunos ejemplos de vectores energéticos son el petróleo, el gas natural, la electricidad y el hidrógeno.

La elección del vector energético tiene un impacto significativo en el consumo y la eficiencia energética. Por ejemplo, el uso de vehículos eléctricos en lugar de vehículos con motores de combustión interna puede ayudar a reducir las emisiones de gases contaminantes. Además, la implementación de infraestructuras adecuadas, como redes de distribución eléctrica eficientes, es crucial para garantizar un suministro energético sostenible y estable.

Fuentes de energía

Una fuente de energía no es más que un depósito de esta. Hay casos en el que es necesario transformarla para poder extraerla y otros en los que no.

En función de la fase de transformación en la que se encuentren se dividen en primarias, secundarias y finales.

Primarias

Son aquellas que se encuentran directamente en la naturaleza y no se han sometido a ningún proceso de transformación. En estas se incluyen las que requieren procesos previos de transformación:

• Carbón.
• Gas natural.
• Petroleo.
• Uranio.

Otras sin embargo no lo necesitan:

• Madera.
• Sol.
• Viento.
• Agua embalsada.

Según la disponibilidad en la naturaleza se pueden agrupar en:

• No renovables: Petroleo, carbón, gas, uranio.
• Renovables: Solar, eólica, hidroeléctrica y biomasa.

Las no renovables representan el 93% del consumo mundial de fuentes de energía primaria.

Secundarias

Son los denominados vectores energéticos. Su función es almacenar energía, pero no se consumen diréctamente.

El más conocido en la energía eléctrica y a partir de ella se obtienen energía mecánica (mover una batidora) y térmica (calentar agua en un termo).

Finales

Son la que usamos cada día en transportes, viviendas y en la industria. Las más conocidas son:

• Energía eléctrica.
• Gas Natural.
• Derivadas del petroleo: gasolinas, gasoleos, butano, propano, queroseno.

A partir de ellas se extrae la energía en sus tres formas posibles energía mecánica, luminosa y térmica.

Preguntas frecuentes sobre unidades de energía

¿Cómo se mide la energía?

La energía se mide en unidades específicas dependiendo del sistema de unidades utilizado. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la energía se mide en julios (J). Sin embargo, en algunos contextos también se utilizan otras unidades como el electronvoltio (eV) y el kilovatio-hora (kWh). Estas unidades permiten cuantificar la cantidad de energía presente en un sistema, ya sea en forma de calor, electricidad, o cualquier otra forma de energía.

¿Cuál es la diferencia entre energía y potencia?

La diferencia fundamental entre energía y potencia radica en su concepto y su unidad de medida. La energía se refiere a la capacidad de un sistema para realizar trabajo, mientras que la potencia se refiere a la rapidez con la que se realiza dicho trabajo. La energía se mide en julios (J), mientras que la potencia se mide en vatios (W), o sus múltiplos como el kilovatio (kW).

¿Qué es la eficiencia energética y cómo se calcula?

La eficiencia energética es una medida que cuantifica la relación entre la energía útil obtenida de un sistema y la energía total que se consume. Se calcula dividiendo la energía útil entre la energía total consumida, y multiplicando el resultado por 100 para obtener un porcentaje. La eficiencia energética es importante para evaluar el rendimiento de dispositivos, sistemas de generación y consumo de energía, y para identificar oportunidades de mejora en términos de reducción de consumos innecesarios.

¿Cómo se relaciona la energía con el consumo de energía en el sector industrial?

La energía desempeña un papel fundamental en el sector industrial, ya que gran parte de los procesos de fabricación y producción requieren de diferentes formas de energía. El consumo de energía en este sector se cuantifica para evaluar la eficiencia del proceso productivo y buscar formas de reducir el consumo energético. Medir y controlar el consumo de energía en la industria permite identificar oportunidades de optimización, implementar medidas de eficiencia energética y reducir costos operativos, al mismo tiempo que se contribuye a la sostenibilidad y al cuidado del medio ambiente.

• La eficiencia energética es clave para el sector industrial, ya que puede generar importantes ahorros económicos y mejorar su competitividad.
• El tipo de energía utilizado en la industria varía dependiendo de las necesidades y características de cada proceso, pudiendo ser eléctrica, térmica, mecánica, entre otras.
• La implementación de tecnologías más eficientes, como iluminación LED, motores de alta eficiencia o sistemas de gestión energética, puede ayudar a reducir el consumo de energía en el sector industrial.

Anexos

Glosario de términos relacionados con unidades de energía

A continuación, se presenta un glosario de términos relacionados con las unidades de energía para clarificar su significado y facilitar su comprensión:

• Kilogramo: es la unidad de masa dentro del sistema métrico y se utiliza para calcular las equivalencias en unidades de energía.
• Vatio: unidad de potencia utilizada para medir la tasa de energía transferida o convertida por segundo.
• Kilovatio-hora: una medida de energía que indica la cantidad de energía consumida o producida durante una hora.
• Julio: unidad en la que se mide la energía cinética, potencial y térmica.
• Caloría: es una unidad de calor y se utiliza en la medición de energía térmica.
• BTU: unidad de medida de energía utilizada principalmente en el ámbito de la climatización y calefacción.

Recursos adicionales sobre unidades de energía

Aquí encontrarás algunos recursos adicionales sobre unidades de energía para ampliar tus conocimientos sobre el tema:

• El futuro de la energía.
• Diferentes tipos de bomba de calor para refrigeración y calefacción.
• La trigeneración de energía es un sistema que aprovecha la energía mecánica y térmica para la producción de energía dotando de potencia a un sistema.
• Departamento de física del MIT.

Explorar estos recursos adicionales te permitirá adquirir un mayor conocimiento sobre las unidades de energía y su aplicación en diversos campos y sectores. Te recomendamos consultarlos para ampliar tus conocimientos y profundizar en este apasionante tema.