Potencia y energía eléctricas

En el anterior artículo de [Electricidad I] hablamos acerca de una de las maneras fundamentales en las que utilizamos la electricidad en la vida cotidiana, gracias al efecto Joule: aprovechando la disipación de energía en forma de calor debida a los choques de electrones con unas cosas y otras en un conductor, a pesar de que ese mismo efecto sea nuestro enemigo a la hora de transportar energía de unos lugares a otros a través de conductores. De energía y potenciaseguiremos hablando hoy, ya que nuestro objetivo en este bloque introductorio es darte unos conocimientos básicos acerca de los fenómenos y aparatos eléctricos que te rodean. Desde luego, los conceptos teóricos para entender la entrada de hoy los has adquirido ya a lo largo de la serie, de modo que entremos en detalles acerca de cómo medimos la energía involucrada en las corrientes eléctricas –que es como aparecen, por ejemplo, en tu factura de electricidad–.

Entender el artículo de hoy será esencial, además, para comprender el siguiente y probablemente último del bloque, dedicado a la seguridad y riesgos eléctricos, ya que algunos de los conceptos de hoy son la base de la explicación que daremos entonces. Al fin y al cabo, la energía es una de esas cosas que aparece en Física por todas partes, y enlaza unos campos de la ciencia con otros de manera inevitable.

Factores que determinan la potencia eléctrica

Como tantas otras veces, antes de lanzarme al ataque con la potencia eléctrica tengo que pedirte un poco de paciencia: abordaremos el problema desde un ejemplo ligeramente diferente –la analogía hidráulica de la que hemos hablado anteriormente en el bloque– antes de hablar de magnitudes estrictamente eléctricas. De manera que, querido y pacientísimo lector, tratemos de construir juntos una noria de agua que haga la mayor cantidad de ruido posible, porque sin un ejemplo surrealista y absurdo, ¿dónde iríamos a parar?

Imagina, por tanto, que somos los propietarios de un artilugio infernal: una rueda de palas de gran tamaño, como las de los barcos de vapor del Mississippi. Eso sí, nuestra “rueda infernal” no se dedica a mover nada: las palas golpean, según pasan por ella, a una gran campana de bronce que hace un ruido estruendoso, como puedes ver en la figura a continuación. Nuestra rueda es impulsada por el agua que sale de una tubería situada estratégicamente de modo que el líquido impacte contra las palas:

Al primero que se ría del dibujo le cae una colleja, que me he tirado un par de horitas luchando con Inkscape para hacerlo.

Imagina, además, que nuestro objetivo es precisamente hacer la mayor cantidad de ruido posible con la campana, de modo que pueda oírse lo más lejos posible de la manera más continua que podamos. Dicho en términos energéticos, lo que estamos haciendo con nuestro estúpido e irritante invento es transformar energía: estamos convirtiendo la energía debida al movimiento del agua en energía sonora, es decir, en ruido infernal, por razones que sólo nosotros conocemos.

Pero lo que nos interesa en el artículo de hoy no son nuestras intenciones, sino la analogía hidráulica, es decir, el agua de la tubería. Para comprender el artículo de hoy, contestemos juntos a la siguiente pregunta: ¿qué dos características fundamentales debe tener el flujo de agua que sale de la tubería para que nuestra rueda haga la mayor cantidad de ruido posible? Piensa un momento antes de seguir.

Espero que tu respuesta haya sido algo parecido a lo siguiente: hacen falta dos características básicas. Por un lado, que haya mucha agua saliendo de la tubería, es decir, un gran flujo de líquido, porque si lo que sale es un chorrito finísimo, poco va a mover la rueda. Por otro lado, que el agua salga a una presión muy grande de la tubería, para que empuje las palas con gran fuerza, porque si sale moviéndose a una velocidad muy pequeña, poco conseguimos, ya que no empujaría nada.

Lo que estamos midiendo con este experimento mental, desde luego, es energía y potencia, aunque hablaremos más formalmente de ellas en un rato: si lo que sale de la tubería es una gran cantidad de agua con una presión muy grande, la energía que transporta cada segundo –y que nosotros convertimos en ruido– será muy grande. Nuestra rueda golpeará la campana muchas veces cada segundo, porque girará muy deprisa, y además lo hará con gran fuerza, haciéndola resonar con una violencia imposible de ignorar kilómetros a la redonda, como nosotros queríamos.

Pero traduzcamos este ejemplo absurdo a nuestros conductores y cargas móviles de artículos anteriores. Supongamos que en vez de nuestra rueda tenemos una bombilla, y que en vez de agua moviéndose por la tubería tenemos electrones fluyendo caóticamente por un conductor, como en el circuito del artículo anterior. Fíjate en que la situación es bastante similar: los electrones llegan a la bombilla, donde el conductor es muy fino, y los impactos continuos según pasan por ella calientan el filamento hasta que éste brilla. Igual que las palas que se mueven chocan con la campana y convierten su energía en una onda sonora, nuestros electrones en movimiento chocan unos con otros y con los átomos del metal y convierten su energía en calor y luz.

Si queremos, por tanto, que nuestra bombilla luzca lo más posible, las condiciones deben ser análogas a las que queríamos para que nuestra campana hiciera la mayor cantidad de ruido posible: queremos que se produzcan muchos impactos de electrones, y queremos que esos impactos sean lo más violentos posibles. Si has seguido el bloque hasta ahora, estoy convencido de que ya estás traduciendo esto a términos más técnicos que los míos: queremos que la intensidad y el voltaje sean lo más grandes que sea posible.

Ésas son las dos magnitudes fundamentales al estudiar energéticamente la corriente eléctrica. La energía que recorre el conductor cada segundo depende justamente de esos dos factores, la intensidad de corriente y la tensión. De hecho, aunque existen muchas maneras de definir la potencia y la energía, en este bloque lo haremos refiriéndonos justamente a ellas dos, ya que son la manera más directa de medir la potencia en un circuito eléctrico.

Potencia eléctrica

Desde luego, una discusión teórica general sobre el concepto de potencia en Física se escapa al alcance de este bloque, pero sí quiero hacerlo, aunque sea “dicho mal y pronto”, en el contexto de los circuitos eléctricos:

La potencia eléctrica en un circuito eléctrico es la energía generada, consumida o transportada cada segundo, y es igual al producto de intensidad de corriente por voltaje.

Fíjate en que pongo esa especie de tríada “generada, consumida o transportada” porque podemos mirar distintas situaciones a las que se aplica el mismo concepto; podríamos mirar una pila que genera una potencia eléctrica, un cable que la transporta o una bombilla que la disipa en forma de calor.

En primer lugar, recordemos nuestra pila y circuito del ejercicio anterior. El voltaje entre los electrodos de la pila es la medida de la “presión eléctrica” con que la pila empuja los electrones que la atraviesan. Si ese voltaje es gigantesco, los electrones sufren un impulso irresistible para moverse por el circuito, de modo que cada uno de ellos dispone de gran cantidad de energía que gastar, según se mueve por él –por ejemplo, en choques por el cable o en la bombilla–. Además, como vimos entonces, cada segundo atravesará la pila un número determinado de electrones, dependiendo de si la intensidad es grande o pequeña.

Como toda analogía o imagen mental, tiene sus limitaciones, pero permite que te dé una diferente de la hidráulica, por si te ayuda a visualizar el concepto de potencia eléctrica en función de intensidad y voltaje. Imagina que la energía que transporta el circuito es un líquido dorado y reluciente, y que ese líquido es transportado por los electrones que circulan por el conductor. Podemos seguir mirando la intensidad como siempre (como la cantidad de carga que recorre el circuito por segundo), pero miremos el voltaje en términos energéticos de fluido dorado: si el voltaje es pequeño, cada electrón dispone de poca energía, es decir, lleva consigo una pequeña cantidad de líquido. Podríamos mirarlo así:

Por el contrario, si la tensión es muy grande, cada electrón acarrea una cantidad muy grande de energía, con lo que va “muy lleno de líquido dorado”:

Como puedes ver, la cantidad de energía que transporta la corriente cada segundo –es decir, la potencia– es igual a la que lleva cada electrón multiplicada por la cantidad de electrones que se mueven por el cable cada segundo… intensidad y voltaje. Puede haber muchas y muy variadas posibilidades:

Pequeño voltaje, pequeña intensidad.

Pequeño voltaje, gran intensidad.

Gran voltaje, pequeña intensidad.

Gran voltaje, gran intensidad.

Evidentemente, el primer dibujo y el último son dos extremos: en el primer caso siempre habrá menos energía recorriendo el conductor cada segundo que en el último. Pero espero que veas que, dependiendo de los números, el segundo y el tercer caso (poco voltaje y mucha intensidad, mucho voltaje y poca intensidad) podrían transportar exactamente la misma cantidad de energía cada segundo. Si comprendes eso, verás por un lado el peligro relativo de las distintas corrientes en el artículo sobre seguridad, y en bloques superiores entenderás también bastante fácilmente el concepto de transformación de corriente.

Transformación de corriente

Hablaremos de esto en profundidad en un bloque superior, pero si te fijas en los dos dibujos intermedios, suponiendo que la potencia es la misma en ambos casos, podríamos intentar diseñar un sistema por el que el primer caso se convirtiera en el segundo, o al revés.

Por ejemplo, podríamos hacer que cada uno de los muchos electrones que recorren el primer circuito fueran “vertiendo su líquido” sobre un número reducido de electrones del segundo circuito. De ese modo, la cantidad total de líquido transportado sería la misma, pero en vez de estar repartido por muchos electrones, estaría “concentrado” en unos pocos. Eso –o justo lo contrario, según el caso– es lo que hace, dicho mal y pronto, un transformador, como el que alimenta tu ordenador portátil o el móvil, entre muchos otros.

Aunque la potencia sea la misma, el hecho de poder controlar intensidad y voltaje hace que podamos elegir cuándo tener unos valores y cuándo otros, dependiendo de lo que estemos haciendo en ese momento con la corriente eléctrica — la energía transportada es la misma, pero otros efectos relacionados con la corriente no lo son. Por ejemplo, cuando vimos el efecto Joule explicamos que es tanto más intenso cuanto mayor es la cantidad de electrones que se mueven por el cable: por tanto, si “concentramos el líquido” en unos pocos electrones, hay menos choques por el conductor y menos energía se perderá por efecto Joule. También hay otras razones por las que hacer justo lo contrario (“repartir el líquido”), pero de eso ya hablaremos cuando toque.

Pero ¿de dónde ha salido ese “líquido dorado” en nuestro circuito? Pues de la pila, por supuesto, a partir de la energía química convertida mediante las reacciones entre los distintos compuestos que contiene. Y, como viajeros caóticos que son, los electrones son absolutamente incapaces de transportar el líquido dorado sin derramar nada. Según avanzan por el circuito, los electrones se pasan el líquido unos a otros, lo pierden al chocar con átomos adyacentes, etc., de modo que la cantidad de líquido dorado que llega hasta la bombilla es más pequeña que la proporcionada inicialmente por la pila.

Finalmente, cuando los electrones atraviesan la bombilla, pierden una gran cantidad del líquido dorado, que se emplea en hacer vibrar violentamente los átomos del material, de modo que la bombilla se calienta mucho y brilla. Como digo, una analogía limitada, pero espero que reveladora. Podrías incluso imaginar que la pila contiene, en los reactivos, una cantidad determinada del líquido dorado –la energía–, y según pasan electrones por ella va vertiendo parte del líquido en cada uno de ellos hasta que, llegado un momento, no queda más líquido en la pila y ésta se gasta. ¿Cómo de rápido sucederá esto? Una vez más, depende de dos factores: el número de electrones que circulan cada segundo y la cantidad de energía que le proporciona a cada uno.

¡Ojo! La energía no la lleva cada electrón todo el tiempo

A veces, al ver analogías como la de arriba, o la que considera el voltaje como “gasolina” y los electrones como “coches”, es posible caer en un error común: pensar que cada electrón transporta una cantidad de energía desde la pila hasta la bombilla. Sin embargo, esto no es así, ya que el caos reinante en el interior del conductor es tremendo.

Cada electrón, como vimos hace unos cuantos artículos, recorre distancias muy cortas sin interferir con ninguna otra cosa dentro del conductor: se producen choques y transferencias de energía constantes. Puedes imaginar, por ejemplo, los electrones junto a la pila chocando con otros más adelantados, vertiendo el “líquido dorado” sobre ellos, y éstos sobre los siguientes, mientras parte de él se derrama calentando el cable. Lo que la bombilla utiliza al final no son los electrones, sino la energía que le llega mucho más rápido que el movimiento de los propios electrones, como vimos anteriormente.

Simplemente quédate con la copla de que la energía es transferida continuamente de unos elementos microscópicos del circuito a otros de manera caótica, pero que de forma neta esa energía avanza muy rápido por el cable hasta llegar al lugar en el que la utilizamos: la energía que tiene un electrón en un momento dado sólo es “suya” durante unos instantes.

Una vez entendido el concepto, como siempre, para poder utilizar la magnitud de verdad y comparar unas potencias con otras, debemos definir una unidad de medida, de modo que hagámoslo antes de seguir.

Unidad de potencia – El vatio

Dado que la potencia no es una unidad específica de electricidad –como tampoco es la energía, de la que hablaremos en un momento–, su definición en el Sistema Internacional de unidades no se basa en unidades eléctricas, sino en otras más generales. De manera que definámosla primero de manera oficial para luego, como varias veces en esta serie, dar una definición extraoficial pero tal vez más informativa, sobre todo en el contexto de este bloque.

La unidad de potencia recibe su nombre en honor al escocés James Watt, un ingeniero nacido en el siglo XVIII que, de una manera u otra –porque hay bastantes discusiones acerca de su mérito y el de otros inventores de la época– contribuyó de manera fundamental al desarrollo de la máquina de vapor y, con ella, a la llegada de la revolución industrial. Como ves, nada que ver con la electricidad. Aquí tienes su definición oficial, que probablemente te deje frío:

Un vatio o watt (W) es igual a un julio de energía cada segundo.

No dice mucho salvo que ya sepas Física, ¿verdad? Si te has quedado como estabas, no te preocupes, porque podemos dar una definición alternativa –extraoficial, ya que se basa en unidades que derivan oficialmente de ella, pero bueno– que probablemente tenga bastante más sentido si has entendido lo de la rueda, la pila, la gasolinera y la bombilla:

Un vatio (W) es la potencia generada, transportada o consumida cuando la intensidad de corriente es de un amperio y el voltaje es de un voltio.

Es de sentido común, ¿no? Dado que la potencia es proporcional a la tensión y la intensidad, la unidad de potencia eléctrica se da cuando tanto el voltaje como la intensidad de corriente tienen el valor unidad. De modo que si, por ejemplo, una pila proporciona una tensión entre sus electrodos de 1 V, y la intensidad de corriente es 1 A, la potencia que nos está dando la pila es de 1 W.

La nota pedante habitual: en los países angloparlantes utilizan directamente el nombre del ínclito James Watt, y también es aceptable su uso en castellano, watt, aunque –al menos en mi experiencia– no es demasiado habitual. Lo normal es llamarlo vatio, así, con una v, y no existe la palabra watio en castellano. Supongo que es porque, a pesar de que la pronunciación en español de la w es como una b, la influencia del inglés hace que casi cualquier persona que ve “watio” (y así lo hacen mis alumnos) lo lee como “uatio”, lo cual es incorrecto. Sospecho que por esa razón el término oficial es vatio.

Sólo tienes que mirar aparatos eléctricos a tu alrededor para darte una idea de algunas potencias típicas. Muchos te muestran directamente la potencia que consumen, pero ahora que sabes cómo calcularla, puedes hacerlo incluso para aquellos que sólo mencionan la intensidad y voltaje típicos. Una bombilla de poca potencia, por ejemplo, puede ser de 40 W, mientras que una halógena puede consumir 500 W. El interruptor automático de mi casa, por poner otro ejemplo, salta si estoy consumiendo una potencia más grande que 10 kW, es decir, 10 000 W.

¡Ojo! Potencia ≠ energía

Aunque sea repetitivo, hay tal confusión entre mucha gente sobre la diferencia de potencia y energía que quiero hacer énfasis al respecto. 10 kW no es una energía: es una potencia. Es decir, 10 kW da una idea de cómo de grande es el flujo de energía que está entrando en mi casa cada segundo. La potencia es, en cierto sentido, análoga a la velocidad de un coche: un coche que se mueve a 200 km/h no ha recorrido una distancia grande o pequeña, simplemente va rápido. Al igual que la velocidad no es la distancia recorrida, sino el ritmo al que se recorre, la potencia no es la energía consumida (o generada, o transportada), sino el ritmo al que se consume, transporta o genera.

Espero que, tras hablar de energía, veas la diferencia y no cometas los errores que se oyen tan a menudo e incluso se leen en periódicos y revistas (la última vez que lo vi fue, desgraciadamente, en un libro de ciencia-ficción).

Energía eléctrica

Una vez más, dado que la energía es un concepto ubicuo en Física, no te preocupes demasiado por la definición oficial, que barre un campo muchísimo más amplio que el que centra nuestra atención en este bloque. De hecho, definir energía de un modo que realmente diga algo no es fácil, a pesar de que casi todo el mundo tiene una concepción intuitiva de qué es. Podríamos definirla, en general, así:

Energía es la capacidad de un cuerpo o sistema de realizar trabajo.

Si no conoces el concepto de trabajo en Física, puede que esta definición no te diga mucho y, como otras veces, la doy para que puedas volver aquí tras aprender de otros bloques publicados en el futuro. La manera más sencilla de asimilar el concepto es mediante ejemplos: en el caso de nuestra rueda infernal con campana, el trabajo que realizamos consiste en dar golpes a la campana; en el caso del motor de un coche eléctrico, el trabajo impulsa al coche hacia delante, etc.

En nuestros dibujos de arriba, desde luego, la energía era el líquido dorado que acarreaban, se pasaban unos a otros y derramaban los electrones. Como digo, el concepto de energía no es fácil de definir brevemente pero sí de comprender intuitivamente, de modo que permite que lo deje aquí y le dediquemos el tiempo que merece cuando dispongamos de las herramientas teóricas para hacerlo con rigor.

Lo que sí debemos hacer, desde luego, es hablar sobre sus unidades, ya que son fuente de confusión muy común.

Unidades de energía eléctrica — El julio y el kilovatio-hora

La unidad de energía en el Sistema Internacional recibe su nombre en honor al genial James Prescott Joule, del que ya hablamos en el artículo anterior de la serie. El nombre, como sucede en el caso del vatio, puede escribirse en su forma original, como joule, o castellanizado como julio. En primer lugar, la definición oficial:

Un julio (J) es el trabajo realizado por una fuerza constante de un newton en un desplazamiento de un metro en la dirección y sentido de la fuerza.

Si no has quedado impresionado –no te culpo–, tal vez esta otra extraoficial y sin el menor rigor de definición te sea más útil:

Un julio (J) es la energía transportada por un conductor cuando una corriente con intensidad de un amperio y voltaje de un voltio fluye durante un segundo.

Como puedes ver, energía y potencia están muy relacionadas, y por tanto también sus unidades: la energía es el “líquido dorado”, y la potencia es el “líquido dorado cada segundo”, es decir, el ritmo al que se produce, transporta o gasta ese preciado líquido imaginario.

El problema fundamental con el julio, sobre todo al utilizarlo en problemas prácticos de electricidad como el consumo mensual de una casa, es que una energía de 1 J es algo muy pequeño. La solución más razonable al problema, sin abandonar la coherencia y sencillez del Sistema Internacional, sería utilizar múltiplos, como kilojulios, megajulios, gigajulios, etc. Desgraciadamente, en vez de hacer eso se utiliza a menudo en electricidad una unidad alternativa, de la que hablaré brevemente porque es común y genera confusión: el kilovatio-hora (kWh).

Si piensas en la relación entre vatio y julio, dado que un vatio es el ritmo de consumo (o producción o transporte) de energía a 1 julio cada segundo, podríamos expresar el julio como la energía producida, transportada o consumida cuando una potencia de 1 W funciona durante 1 s. Pero, como una potencia de un vatio y un tiempo de un segundo son muy pequeños, la energía resultante es minúscula. Imagina, sin embargo, que la potencia que funciona no es de 1 W, sino de 1000 W, es decir, un kilovatio (1 kW). Y que el tiempo durante el cual funciona no es de un segundo, sino de una hora (3 600 segundos). Entonces, la energía resultante ya no sería de 1 J, sino de 3 600 000 julios (1000 W durante 3600 segundos). Esa energía es lo que se denomina kilovatio-hora (kWh), ya que representa la energía equivalente a una potencia de un kilovatio funcionando durante una hora.

Un kilovatio-hora (kWh) es la energía correspondiente a una potencia de 1 kW funcionando durante 1 h, y equivale a 3 600 000 J.

La ventaja fundamental del kWh es, por tanto, que una energía razonablemente realista, como la que consume una casa que usa una potencia de 5 kW durante un día (24 h) es un número aceptablemente pequeño (120, kWh en este caso), mientras que la misma cantidad en julios sería algo muy grande (432 000 000 J, en este caso). Sin embargo, como digo, sería mucho más sencillo y coherente decir que la casa consume, por ejemplo, 432 MJ. Al utilizar las horas, la ventaja principal del Sistema Internacional (la sencillez de conversión por múltiplos y submúltiplos de diez) se pierde, y acabamos en una situación parecida a la de las onzas y pulgadas. En fin.

¡Ojo! kWh ≠ kW/h

Con una frecuencia sorprendente confundimos los kilovatios-hora con algo así como “kilovatios cada hora”, algo absolutamente absurdo, y un error en el que espero que no caigas si has comprendido los conceptos de potencia y energía en este artículo. En los medios de comunicación, sin embargo, es algo muy común. Detengámonos un segundo en este asunto.

El problema, creo, es que al oír la palabra “xxxx-hora”, la gente piensa en “kilómetros hora”, es decir, km/h, y entonces traducen kilovatios-hora como kW/h. Sin embargo, una cosa y la otra no tienen absolutamente nada que ver.

En el coche, km/h es perfectamente correcto: un coche que viaja a 100 km/h recorre 100 km cada hora. km/h es una unidad de velocidad, es decir, del ritmo al que se recorre una distancia.

En el caso de una casa que durante un día ha consumido 120 kWh, sería absurdo decir que ha consumido 120 kW cada hora. Muy al contrario: 120 kWh es la energía total que ha consumido durante el día completo, no es una velocidad de ningún tipo ni indica ningún ritmo de consumo. El ritmo de consumo lo indica la potencia, por ejemplo, de 5 kW, es decir, 5000 julios cada segundo.

De modo que, si alguna vez ves algo como kW/h o dice que 100 kWh representan 100 kW “cada hora”, arquea la ceja. Alguien no ha hecho sus deberes.

Ideas clave

Para afrontar el resto del bloque con garantías, deben haberte quedado claros los siguientes conceptos:

La potencia eléctrica indica el ritmo al que se produce, transporta o consume energía.

La potencia es el resultado de multiplicar el voltaje (que indica la energía que transporta cada unidad de carga) por la intensidad (que indica la cantidad de carga que se mueve cada segundo).

La unidad de potencia es el vatio (W), que en electricidad equivale a una corriente de 1 A y 1 V.

La unidad de energía es el julio (J), que en electricidad equivale a una corriente de 1 A y 1 V que fluye durante 1 s.

Una unidad alternativa de energía es el kilovatio-hora (kWh), que equivale a una potencia de 1 kW que funciona durante 1 h.

Hasta la próxima…

Como gran parte de lo discutido hoy se refiere a aparatos reales, los “deberes” para la siguiente entrada dentro de un par de semanas tienen que ver con mirar a tu alrededor y pensar un poco.

Desafío 6 – ¿Quién consume el máximo?

El desafío de hoy es muy concreto, pero no puedo darte una “respuesta correcta” en el siguiente artículo, porque la respuesta varía para cada cual. Eso sí, si tienes duda con alguna cosa, no dudes en preguntarnos y alguien –yo u otro lector– te responderá seguro.

La pregunta es la siguiente: de entre todos los aparatos eléctricos que hay en tu casa y que seas capaz de determinar, ¿cuál es el que puede consumir la potencia más grande?

En algunos casos, conocer la potencia que consume un aparato es fácil, ya que la indica el propio objeto o el manual de instrucciones. En otros casos no sucede directamente, pero si el aparato indica la intensidad y el voltaje que consume, te será posible calcularlo. Te recomiendo que hagas una tablita con unos cuantos, y la respuesta y las comparaciones tal vez te sorprendan.