Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Interacciones fundamentales
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Del curso dictado por Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
103 calificaciones
De la lección
El origen de la energía
En este módulo aprenderás las definiciones del concepto de energía, las interacciones que la originan, los modelos que la describen y los sistemas que se emplean para medirla.
Conoce a los instructores
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
Bienvenidos a esta nueva sesión del curso de energías sustentables.
Mi nombre es Julio Vergara, profesor de la escuela de ingeniería UC.
En esta ocasión,
presentaremos
las interacciones fundamentales del modelo estándar del átomo.
Y mediante eso, veremos su importancia
en la producción, transmisión y conversión de energía.
En la sesión anterior faltaron los bosones,
agentes portadores de fuerza responsables de la unión,
seperación, decaimiento y destrucción de la materia.
El modelo estándar del átomo,
aparte de distinguir fermiones y bosones, identifica interacciones fundamentales
que utiliza algún bosón para interactuar.
Ya conocemos en qué se usa la energía.
Falta conocer, usando la teoría vigente, cómo se transmite la energía.
El modelo estándar del átomo entrega una explicación
más fundamental que la termodinámica.
Los bosones son especialmente útiles
para comprender cómo se transporta la energía.
El modelo estándar
dice que la materia existe por interacción entre fermiones o partículas fundamentales,
como si fueran los bloques de un juego armable.
Esos bloques pueden interactuar,
pueden unirse, repelerse, decaer o aniquilarse, según el bosón predominante.
Todas las fuerzas en el universo
pueden explicarse por una o más de las siguientes interacciones fundamentales,
gravitacional, fuerte, débil y electromagnética.
Veamos algunos atributos de las interacciones fundamentales.
La primera, conocida como interacción gravitacional,
sabemos que existe pero está poco explicada y parcialmente probada.
Por eso, no es parte del modelo estándar.
Es de largo alcance, pero es muy débil respecto a las demás fuerzas,
lo que impide caracterizarla.
Su portador de fuerza no se ha encontrado
por ser muy débil,
pero ya se le asigna un nombre, que es gravitón.
Después viene la interacción nuclear fuerte,
que es de muy fuerte atracción
de corto alcance, distinta a la electromagnética
entre quarks, y aglutina drones y núcleos.
El portador de fuerza es el gluón.
Después viene la interacción nuclear débil,
que es comparable a la electromagnética en intensidad pero opera a corta distancia.
Responde por el decaimiento de ciertos isótopos,
parte se va energía cinética.
El portador de fuerza es el bosón W o Z0.
La última es la interacción electromagnética.
Produce una repulsión o atracción entre partículas fundamentales según sus cargas,
y esta opera a gran distancia.
Es fuerte, pero apenas una fracción de la inteacción nuclear.
El portador de fuerza es el fotón o gama.
Permite, por ejemplo, repeler núcleos o aclopar electrones a un núcleo.
Este cuadro organiza los fermiones a un lado y los bosones a otro lado.
Los últimos son los portadores de fuerza que permiten las interacciones de fermiones.
Estos son los que definen cómo se organiza la materia.
Hace pocos años, se confirmó experimentalmente un nuevo bosón,
que se supone es el bosón de Higgs,
que es el que determina la masa de los distintos fermiones.
El modelo estándar está en evolución,
aún está incompleto.
No explica, por ejemplo,
que debiera haber más materia para impedir que se desarmen las galaxias,
lo que se ha llamado materia oscura.
Hoy vamos a arreglar la materia.
La unión de los átomos y moléculas es una interacción electromagnética fuerte
entre protones y electrones.
Por eso, una ruptura atómica, por ejemplo la combustión,
pierde el enlace y libera solo dos a seis electrón Volts por evento de ruptura
en forma de energía cinética de los productos de la combustión,
que calientan el medio. Y nuevamente pueden mover, por ejemplo, un piptón.
En cambio, la unión de nucleones
es una interacción residual fuerte entre quarks de diferentes hadrones.
Por esto, la ruptura de un enlace nuclear
en la fisión en la Tierra o en la fusión en el Sol
libera varios millones de electrón Volts por evento.
En las partículas resultantes, ya separadas,
son repelidas, llevando cada una millones de veces más energía cinética
que un producto de combustión.
Los productos de una reacción nuclear calientan eficazmente el medio
y pueden mantener una estrella funcionando durante millones de años.
En la Tierra, la fisión, y a futuro la fusión,
puede mantener un reactor virando varios años.
La unión del nucleón, por ejemplo dentro de un protón,
se debe a la interacción fundamental fuerte entre sus tres quarks.
Los quarks no pueden andar solos
y no se pueden separar, pero un quark puede mutar con la participación de un bosón W.
Por ejemplo, un neutrón se puede convertir en protón y viceversa,
cambiando la composición química de un material.
Este fenómeno justifica la emisión de calor en el manto terrestre
por el decaimiento radioactivo de ciertos elementos,
y explica la presencia de radioactividad natural en la superficie de la Tierra.
Un ejemplo de transformación ocurre en la producción de energía en el Sol.
El sol convierte cuatro protones en helio,
después veremos el proceso.
En dos protones, un quark up
ha debido convertirse en un down con un bosón W,
emitiendo un positrón y un neutrino.
Un ejemplo práctico de interacción común se aprecia en un escáner PET,
que es Tomografía de Emisión de Positrones,
que permite ver el progreso de tumores en respuesta a un tratamiento.
Para ello, un acelerador produce flúor excedido en neutrones, Flúor 18,
que es propenso a emitir positrones.
Se inyecta glucosa al paciente,
y esta se concentra en el órgano con el tumor.
En ese lugar, los positrones se aniquilan con electrones.
Cada aniquilación emite dos rayos gama en direcciones opuestas.
Una cámara detecta la posición donde ocurre la emisión,
y con ello se puede construir una imagen de la actividad cancerígena.
Podemos resumir que las interacciones fundamentales permiten:
unir, separar, decaer o aniquilar materia con la influencia de bosones.
Si en la interacción hay una pérdida de masa,
las partículas resultantes adquirirán energía cinética.
Si la reacción es electrónica, como una reacción química,
obtendrá algunos electrón Volts por evento.
Y si es una reacción nuclear,
logrará varios millones de electrón Volts por evento.
Hasta la próxima sesión.
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