Feliz navidad y próspero año 2011

A mis compañeros maestros y alumnos:

En esta época me es muy grato pensar en los buenos momentos vividos, las lecciones aprendidas, los problemas superados, pero sobre todo me gusta pensar en lo afortunado que soy en las diferentes áreas de mi vida. Quiero agradecer por un año más que comparten conmigo, leyendo y efectuando las diferentes actividades que preparo para Ustedes en este sitio, sus interesantes comentarios que me dejan pensando y me retan a desarrollar mejor mi trabajo.

Que esta noche buena sea de gran alegría, deseo que la pasen al lado de sus seres queridos, que reciban muchos regalos y sobre todo que celebren todo lo alcanzado durante el 2010. Como cada año, se vienen nuevos retos, sueños por alcanzar y metas que cumplir. Espero ser parte de ese proceso y compartirlo con todos a través de este espacio que siempre está cargado de conocimiento colectivo y constante aprendizaje.

Un fuerte abrazo, disfruten de los buenos momentos en compañía de la familia, de los amigos y de las buenas comidas que serán preparadas con cariño y amor para estas fiestas decembrinas.

TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA

La energía aparece en muchas formas, incluida la radiación, el movimiento de los cuerpos, el estado de excitación de los átomos y la tensión intra e intermolecular. Todas estas formas son equivalentes en un sentido importante; es decir, una forma puede transformarse en otra. La mayor parte de lo que sucede en el universo como el colapso y la explosión de estrellas, el crecimiento y la descomposición biológica, la operación de máquinas y computadoras incluye una forma de energía que se transforma en otra.

Las formas de energía se pueden describir de diferentes maneras: la energía del sonido es sobre todo el movimiento regular de atrás hacia adelante de las moléculas; la energía calorífica es el movimiento aleatorio de moléculas; la energía gravitacional aparece en la separación de masas que se atraen mutuamente; la energía almacenada en tensiones mecánicas incluye la separación de cargas eléctricas que se atraen entre sí. Aunque las diversas formas parecen muy distintas, cada una de ellas se puede medir de un modo que hace posible calcular qué tanto de una forma puede convertirse en otra. Cuando disminuye la cantidad de energía en un lugar o en una forma, la cantidad en otro sitio o en otra forma aumenta en una cantidad equivalente. Por tanto, si la energía no se filtra hacia dentro o hacia fuera a través de los límites de un sistema, la energía total de las diferentes formas en el sistema no cambia, no importa qué tipo de transformaciones graduales o violentas ocurran realmente en él.

Pero la energía tiende a escaparse a través de los límites. En particular, las transformaciones de energía generalmente dan por resultado la producción de algo de calor, el cual se disipa por radiación o conducción (como sucede en las máquinas, los alambres eléctricos, los tanques de agua caliente, el cuerpo humano y los sistemas estereofónicos). Además, cuando el calor sufre conducción o radiación hacia un líquido, se establecen corrientes que suelen favorecer la transferencia de calor. Los materiales que no conducen bien el calor se pueden utilizar para reducir la pérdida de éste, aunque nunca puede evitarse por completo la fuga calorífica. Por tanto, la cantidad total de energía disponible para la transformación casi siempre es decreciente. Por ejemplo, casi toda la energía almacenada en las moléculas de gasolina que se utiliza durante un viaje en automóvil se disipa a través de la fricción y el tubo de escape, produciendo un ligero aumento de temperatura en el vehículo, la carretera y el aire. Pero incluso si tal energía difusa se pudiera detener, tendería a distribuirse de modo uniforme y, por tanto, ya no podría volverse a utilizar. Esto se debe a que la energía puede provocar transformaciones solamente cuando se concentra más en algunos sitios que en otros, como en las caídas de agua, las moléculas de alta energía de combustibles y alimentos, los núcleos inestables y la radiación que proviene del Sol intensamente caliente. Cuando la energía se transforma en energía calorífica que se difunde a todas partes, es menos probable que ocurran más transformaciones.

La razón por la que el calor tiende siempre a difundirse de lugares más calientes a otros más fríos es un asunto de probabilidad. La energía calorífica en un material consiste de movimientos desordenados de sus átomos o moléculas que se encuentran en colisión perpetua. Cuando un gran número de átomos o moléculas en una región de un material chocan en forma aleatoria y repetida con las de una región vecina, hay mucho más maneras en las que su energía de movimiento aleatorio puede terminar por distribuirse casi igualmente en ambas regiones en lugar de concentrarse en una sola. Por consiguiente, es mucho más probable que ocurra la distribución desordenada de energía calorífica a todas partes que la concentración más ordenada en un lugar. De manera más general, en cualesquiera interacciones de átomos o moléculas, la probabilidad estadística establece que terminarán en un mayor desorden que con el que empezaron.

Sin embargo, es completamente posible que en algunos sistemas aumente el orden mientras que en los sistemas conectados a ellos el desorden se incrementa aún más. Las células de un organismo humano, por ejemplo, siempre están ocupadas en incrementar el orden, como sucede en la síntesis de moléculas complejas y la formación de estructuras corporales. Pero esto ocurre al costo de aumentar el desorden circundante aún más como descomponer la estructura molecular de los alimentos que se consumen y calentar los alrededores. El asunto es que la cantidad total de desorden tiende siempre a aumentar.

Se asocian diferentes niveles de energía con diversas configuraciones de átomos en las moléculas. Algunos cambios en la configuración requieren energía adicional, en tanto que otros la liberan. Por ejemplo, tiene que suministrarse energía calorífica para iniciar el fuego con carbón (mediante la evaporación, algunos átomos de carbono se separan de otros en el carbón); sin embargo, cuando las moléculas de oxígeno se combinan con los átomos de carbono en la configuración de baja energía de una molécula de dióxido de carbono, se libera mucho más energía como calor y luz. O una molécula de clorofila se puede excitar hacia una configuración de alta energía por la luz solar; la clorofila, por su parte, excita a las moléculas de dióxido de carbono y agua de modo tal que pueden unirse, a través de varios pasos, en la configuración de alta energía de una molécula de azúcar (más cierta cantidad de oxígeno regenerado). Más tarde, la molécula de azúcar puede interactuar con el oxígeno para producir moléculas de dióxido de carbono y agua otra vez, transfiriendo la energía adicional de la luz solar todavía a otras moléculas.

Es evidente que la energía y la materia se presentan en unidades discretas en el nivel molecular y niveles inferiores: cuando la energía de un átomo o una molécula cambia de un valor a otro, lo hace en saltos definidos, sin valores posibles entre ellos. Estos efectos de cuanto producen fenómenos en la escala atómica muy diferentes de aquéllos con los que se está familiarizado. Cuando la radiación encuentra un átomo, puede excitarlo a un nivel más alto de energía interna solamente si puede aportar la cantidad correcta de energía para el paso. También ocurre lo inverso: cuando el nivel de energía de un átomo se relaja por un paso, se produce una cantidad discreta (cuanto) de energía de radiación. Por tanto, la luz emitida o absorbida por una sustancia puede servir para identificar de qué sustancia se trata, no importa si está en el laboratorio o en la superficie de una estrella distante.

Las reacciones en los núcleos de los átomos incluyen cambios de energía mucho más grandes que las reacciones entre las estructuras de los electrones externos de los átomos (esto es, reacciones químicas). Cuando núcleos muy pesados, como los de uranio o plutonio se dividen en otros de peso medio, o cuando núcleos muy ligeros, como los de hidrógeno y helio, se combinan con otros más pesados, se liberan grandes cantidades de energía en forma de radiación y partículas que se mueven con rapidez. La fisión de algunos núcleos pesados ocurre de manera espontánea, produciendo neutrones adicionales que inducen la fisión en más núcleos, y así sucesivamente, dando lugar a una reacción en cadena. Sin embargo, la fisión de núcleos ocurre solamente que choquen a velocidades muy altas (superando la repulsión eléctrica entre ellos), como las colisiones que ocurren a temperaturas muy altas producidas dentro de una estrella o por una explosión por fisión.

ANALICEMOS NUESTRO PLANETA (LA TIERRA)

Vivimos en un planeta bastante pequeño, el tercero alrededor del Sol en el único sistema de planetas que se sabe definitivamente que existe, aunque es probable que sistemas similares sean comunes en el universo. La forma de la Tierra es casi esférica, como la de todos los planetas y las estrellas, la cual es resultado de la atracción gravitacional mutua que jala su material hacia un centro común. A diferencia de los planetas externos, mucho más grandes, que están formados principalmente de gas, la Tierra es sobre todo roca, con tres cuartas partes de su superficie cubiertas por una capa relativamente delgada de agua y todo el planeta envuelto por una capa tenue de aire. En ambos lados del planeta, se forman abultamientos en la capa de agua debido a la atracción gravitacional de la Luna y el Sol, produciendo mareas altas aproximadamente dos veces al día en la orilla de los océanos. También se producen protuberancias similares en la capa de aire.

De todos los planetas y las lunas diversas en el sistema solar, solamente la Tierra parece ser capaz de sostener la vida en la forma como se conoce. La fuerza gravitacional de la masa del planeta es suficiente para mantenerla en la atmósfera. Esta envoltura delgada de gases surgió como resultado de condiciones físicas cambiantes en la superficie de la Tierra y la evolución de la vida vegetal, y es parte integral del ecosistema planetario. Alterar la concentración de los gases componentes naturales de la atmósfera, o agregar otros 3 nuevos, puede tener serias consecuencias sobre los sistemas de vida de la Tierra.

La distancia de la Tierra al Sol asegura que la energía alcance al planeta a un índice suficiente para mantener la vida, pero no tan rápido como para que el agua se evapore o no se formen las moléculas necesarias para la vida. El agua existe en la Tierra en las formas líquida, sólida y gaseosa, hecho poco común entre los planetas, los otros están tan cercanos al Sol que están demasiado calientes, o tan lejanos, que están demasiado fríos.

El movimiento de la Tierra y su posición respecto al Sol y la Luna tienen efectos notables. Debido a la inclinación del eje terrestre, la revolución de un año de la Tierra alrededor del Sol cambia directamente la manera en que la luz del Sol incide en una u otra parte de la Tierra. Esta diferencia en calentamiento de partes distintas de la superficie de la Tierra produce las variaciones estacionales en clima. La rotación del planeta sobre su eje cada 24 horas produce un ciclo planetario de noche y día y (para los observadores en la Tierra) hace que parezca como si el Sol, los planetas, las estrellas y la Luna estuvieran girando alrededor de la Tierra. La combinación del movimiento de la Tierra y el de la Luna, en su órbita alrededor de aquélla, una vez aproximadamente en 28 días, da por resultado las fases lunares (con base en el cambio de ángulo en el cual se observa el lado iluminado de la Luna por la luz del Sol).

La Tierra posee diversos patrones climáticos, los cuales consisten en diferentes condiciones de temperatura, precipitación, humedad, viento, presión del aire y otros fenómenos atmosféricos. Estos patrones resultan de la interrelación de muchos factores. La fuente básica de energía es el calentamiento de la tierra, el océano y el aire por la radiación solar. La transferencia de energía calorífica en las interfases de la atmósfera con la tierra y los océanos produce capas a diferentes temperaturas en el aire y los océanos. Estas ascienden, descienden o se mezclan, dando lugar a vientos y corrientes oceánicas que transportan la energía calorífica entre las regiones cálidas y frías. La rotación de la Tierra curva el flujo de los vientos y las comentes marinas, los cuales se desvían aún más por la forma del planeta.

El ciclo del agua, en el que este liquido entra y sale de la atmósfera, desempeña un papel importante en la determinación de los patrones climáticos evaporación de la superficie, ascensión y enfriamiento, condensación en nubes y después en nieve o lluvia, y precipitación otra vez a la superficie, en donde se colecta en ríos, lagos y capas porosas de rocas. También hay grandes áreas en la superficie de la Tierra cubiertas de una capa gruesa de hielo (como la Antártida), la cual interactúa con la atmósfera y los océanos e incide sobre las variaciones climáticas en el ámbito mundial.

Los climas de la Tierra han cambiado radicalmente y se espera que lo sigan haciendo, sobre todo debido a los efectos de alteraciones geológicas, como el avance o el retroceso de los glaciares durante siglos o por enormes erupciones volcánicas en poco tiempo. Pero, incluso algunos cambios relativamente pequeños del contenido atmosférico o de la temperatura de los océanos, si duran mucho tiempo, pueden tener serias repercusiones en el clima.

La Tierra tiene muchos recursos de gran importancia para la vida de los seres humanos. Algunos de ellos son fácilmente renovables, otros se pueden renovar pero a un alto costo y otros más no son renovables. El planeta contiene una gran variedad de minerales, cuyas propiedades dependen de la historia de cómo se formaron, así como de los elementos de que se componen. La abundancia de estos minerales puede ser rara o ilimitada, pero la dificultad de extraerlos del ambiente es un aspecto tan importante como su abundancia. Una gran variedad de minerales constituyen fuentes de materiales básicos para la industria, tal es el caso del hierro, el aluminio, el magnesio y el cobre. Muchas de las fuentes más importantes se han ido agotando, haciendo cada vez más difícil y caro obtenerlos.

El agua dulce es un recurso esencial para la vida diaria y los procesos industriales. Se obtiene de ríos y lagos y del manto que se desplaza debajo de la superficie de la Tierra. Esta agua subterránea, la cual constituye una fuente importante para muchas personas, se ha acumulado al paso de un tiempo prolongado hasta alcanzar las cantidades que ahora se están usando. En algunos lugares se está agotando con suma rapidez. Además, muchas fuentes de agua dulce no se pueden utilizar debido a que están contaminadas.

El viento, las mareas y la radiación solar están disponibles de manera continua y pueden captarse para brindar fuentes de energía. En principio, los océanos, la atmósfera, los suelos, las criaturas marinas y los árboles son recursos renovables. Sin embargo, puede ser sumamente caro limpiar el aire y el agua contaminados, restablecer los bosques y las zonas de pesca destruida, o restaurar o preservar los suelos erosionados debido al manejo deficiente de las áreas destinadas a la agricultura. Aunque los océanos y la atmósfera son muy grandes y tienen una gran capacidad para absorber y reciclar materiales de manera natural, tienen sus límites. Poseen una capacidad finita para resistir el cambio sin generar alteraciones ecológicas mayores, que también pueden tener efectos adversos sobre las actividades humanas.

Efectos colaterales de las tecnologías

Además de los beneficios esperados, es probable que la producción y aplicación de todo diseño tenga efectos secundarios no intencionales. Por un lado, pueden presentarse beneficios inesperados. Por ejemplo, las condiciones de trabajo pueden resultar más seguras cuando los materiales se moldean que cuando se estampan, y los materiales diseñados para satélites espaciales pueden resultar útiles en productos de consumo. Por otro lado, las sustancias o procesos que intervienen en la producción pueden dañar a los trabajadores o al público general; por ejemplo, operar una computadora puede afectar los ojos del usuario y aislarlo de sus compañeros. Asimismo, el trabajo puede verse afectado al aumentar el empleo de personas que intervienen en la nueva tecnología, al disminuir el empleo para aquellos que se desarrollan en el marco de la tecnología antigua y cambiando la naturaleza del trabajo que los individuos deben desempeñar en sus centros laborales.

No sólo las grandes tecnologías reactores nucleares o agricultura muestran proclividad a los efectos colaterales, sino también las pequeñas y cotidianas. Los efectos de las tecnologías ordinarias pueden ser pequeños individualmente, pero significativos en conjunto. Los refrigeradores, por ejemplo, han tenido una repercusión favorable predecible en la dieta y en los sistemas de distribución de alimentos. Sin embargo, en virtud de que hay muchos de estos aparatos, la discreta fuga de un gas que se utiliza en sus sistemas de enfriamiento puede tener consecuencias adversas sustanciales en la atmósfera de la Tierra.

Algunos efectos colaterales son inesperados debido a la falta de interés o recursos para preverlos; pero muchos no son predecibles incluso en principio debido a la complejidad de los sistemas tecnológicos y a la inventiva humana para encontrar nuevas aplicaciones. Algunos efectos secundarios inesperados pueden ser inaceptables desde los puntos de vista ético, estético o económico para una gran parte de la población, dando por resultado conflicto entre grupos de la comunidad. Para minimizar dichas consecuencias, los planificadores están volviendo al análisis sistemático de riesgos. Por ejemplo, muchas comunidades requieren por ley que se hagan estudios de impacto ambiental antes de aprobar la construcción de un nuevo hospital, una fábrica, una carretera, un sistema de tratamiento de desechos, un centro comercial u otra estructura.

Sin embargo, el análisis de riesgos puede ser complicado. Debido a que el riesgo, asociado con un curso de acción particular, nunca puede reducirse a cero, la aceptabilidad debe determinarse en comparación con los riesgos de los cursos alternativos de acción o con otros más familiares. Las reacciones psicológicas de las personas ante las contingencias no necesariamente encajan de manera estricta en un modelo matemático de costo y beneficio. La gente tiende a percibir un riesgo tanto más elevado si no tiene ningún control sobre él (humo contra fumar) o silos acontecimientos malos tienden a presentarse en números pavorosos (muchas muertes al mismo tiempo en un accidente aéreo contra unas cuantas en un choque automovilístico). La interpretación personal de los riesgos puede estar influida en gran parte por la forma en que se establecen por ejemplo, comparar la probabilidad de muerte contra la probabilidad de sobrevivencia, los riesgos extremos contra los riesgos aceptables, los costos totales contra los costos diarios por persona o el número real de personas afectadas contra la proporción de individuos afectados.

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