Hagamos esto en términos de cookies. (Una sugerencia de Física de Richard Muller para futuros presidentes ) . Todo tipo de poder es fundamentalmente intercambiable, por lo que nos gustaría saber qué tipo de procesos físicos almacenan la mayor cantidad de energía en una galleta.
Lo primero que debe hacer es quemar / comer la galleta. (Quemar y comer son iguales en términos de física). Las cookies tienen una cantidad bastante directa de energía química liberada en la combustión. Se trata de 1 electrón voltio por átomo.
Varía un poco, pero básicamente, si está quemando leña o gasolina o carbón o galletas con chispas de chocolate, todas son reacciones químicas similares. Consisten en electrones que van de este átomo a otro, lo que a veces se llama química, pero en realidad es solo mecánica cuántica. Las constantes involucradas son la carga de electrones, la masa de electrones y la constante de Planck. Júntelos para obtener un potencial y tendrá
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[matemáticas] \ frac {e ^ 2 m_e} {\ hbar ^ 2} \ aprox 1 V [/ matemáticas]
Todas las reacciones químicas entonces funcionan en algún lugar alrededor de unos pocos voltios.
Con cosas como la gasolina y las galletas, básicamente puedes quemarlo todo, por lo que la densidad de energía es la misma en orden de magnitud. Varía un poco dependiendo de la reacción química exacta, pero solo por un factor de dos o tres. Es posible que haya escuchado que los carbohidratos tienen 4 kcal por gramo y las grasas tienen 9. Eso es bastante parecido a lo que a mí respecta.
TNT es diferente de esas cosas. En realidad, tiene una densidad de energía bastante baja, al igual que el combustible para cohetes. Estas cosas necesitan llevar su propio oxígeno en lugar de combinarse con oxígeno en la atmósfera. TNT necesita hacer esto porque su trabajo es reaccionar muy rápidamente, por lo que no hay tiempo para extraer oxígeno de la atmósfera. Los cohetes necesitan trabajar en el espacio, donde no hay oxígeno disponible. Por lo tanto, estos combustibles tienen una densidad de energía unas pocas veces menor (para combustible de cohete) o de diez a veinte veces menor (para TNT) que las cookies.
Las baterías son aún peores. Están alimentados por la química, aún, y la química te da unos pocos voltios por electrón. Es por eso que no existe una batería de 100 voltios; no hay reacción química de 100 voltios para alimentarlo. (Sin embargo, podría apilar un montón de baterías de menor voltaje, una tras otra, lo que de hecho se hace en una batería de 9 V). Debido a que transportan un montón de otros desechos además de sus productos químicos reactivos, las baterías son aproximadamente 100 veces peores que las cookies, y eso es para baterías costosas, como en una computadora portátil. Las pilas AA aleatorias son quizás 1000 veces peores que las cookies. Si pudieras conectar tu iPhone a una galleta con chispas de chocolate, podría funcionar continuamente durante una semana sin recargarse.
¿Qué hay de movimiento – almacenamiento de energía en la energía cinética de una masa en movimiento? Tienes que ir muy rápido para almacenar tanta energía en tu movimiento como puedas almacenar en energía química. Si ese no fuera el caso, los vehículos que funcionan con gasolina no podrían ir rápido, ya que se quedarían sin energía antes de acelerar, pero incluso los vehículos que funcionan con baterías pueden ir bastante rápido.
Resulta que tendría que recorrer alrededor de 10,000 millas por hora para almacenar tanta energía en su velocidad como sea posible en la energía química. Como la energía tiene una velocidad cuadrática, si arrojas una galleta a 100 mph, solo estás almacenando aproximadamente 1 / 10,000 de energía en su movimiento como en su galleta química.
La cifra de 10,000 mph está muy por debajo de la velocidad de escape, lo que significa que si quiere entrar en órbita o separarse de la Tierra e ir al espacio profundo, necesitará un alto porcentaje de la masa de su nave como combustible (siempre que Estás usando cohetes químicos). Tendrás que dejar la mayor parte de esa masa a medida que avanzas, también.
Los molinos de viento funcionan con la energía cinética del aire. El aire ya es ligero y la energía cinética es bastante débil a velocidades de decenas de millas por hora. Necesitaríamos mucho aire para obtener tanta energía como una galleta. Es alrededor de una o dos piscinas de tamaño olímpico con un valor de aire, que se mueve a 20 mph, para tener la misma energía que una galleta.
Podrías almacenar energía en energía potencial gravitacional. Dado que puedes escalar el Monte Everest y no eres terriblemente eficiente, está claro que la energía química es nuevamente mucho más alta que la energía potencial gravitacional. Si llevaste una galleta hasta la cima y luego la dejaste caer en un tubo evacuado, podría alcanzar las 1000 mph al nivel del mar, lo que significa que su potencial gravitacional en la parte superior era solo el 1% de su energía química. Las represas hidroeléctricas funcionan con energía potencial gravitacional. Tienen una densidad de energía muy baja, por lo que necesitan que sus dispositivos de almacenamiento de energía sean tan grandes (tan grandes como un lago).
Puede almacenar energía como energía térmica y extraerla con un motor térmico. Así es como funcionan las centrales eléctricas: queman combustible para calentar agua, luego el agua se convierte en vapor y funciona impulsando una turbina a medida que se expande. Dado que es bastante fácil hervir algo de agua quemando cosas, esperamos que las energías térmicas no sean muy altas en comparación con las químicas.
La energía térmica es solo un movimiento aleatorio de las moléculas, por lo que su movimiento aleatorio tendría que ser el mismo de 10,000 mph que calculamos antes para tener la energía de una galleta con chispas de chocolate. Eso es alrededor de 30,000 grados Fahrenheit, en cuyo punto, por diseño, la energía promedio es suficiente para ionizar las moléculas de las galletas y tenemos un plasma de galletas. A temperaturas normales, la energía térmica es solo uno o dos por ciento de la energía química.
Podríamos intentar almacenar energía eléctrica en condensadores en lugar de baterías. Comprobando en línea, parece que los condensadores grandes pesan alrededor de una libra por Farad. Para lograr que tenga la misma densidad de energía que la energía química, necesitamos cargar el condensador a solo 5000 V. Según las personas que fabricaron el condensador que busqué, solo se supone que debes ponerle 12 voltios, lo que déjenos a menos del 0.1% de los niveles de densidad de energía química. Encontré algunos condensadores clasificados para voltajes mucho más altos, pero tienen una capacidad mucho menor. Sería difícil hacer que un condensador almacene tanta energía como productos químicos, por lo que no va a montar un condensador a la luna, pero tienen el potencial de reemplazar las baterías.
Donde realmente comienzas a obtener mucha energía es en las reacciones nucleares. La física es diferente aquí. Los nucleones interactúan a través de las fuerzas nucleares, y sus energías de unión son fracciones apreciables de sus masas. Si pudieras construir un reactor nuclear que funcionara con cookies, te daría alrededor de 10 millones de veces más energía que la quema de las cookies. En otras palabras, las reacciones químicas implican cambios fraccionales extremadamente pequeños en la masa, mientras que las reacciones nucleares implican cambios sustanciales. La energía nuclear puede llevarlo a alcanzar alrededor del 5% de la velocidad de la luz sin descargar combustible.
El último paso es encontrar un anticookie. Cuando juntas una galleta y un anticookie, obtienes un desorden de fotones en su mayoría, y tal vez algunas partículas masivas también, todo con alta energía explotando fuera de la escena. Aproveche eso, y un par de cookies / anti-cookies valdrá tanto como unos pocos miles de millones de cookies que se metabolizan. Solo cinco miligramos de galleta / anticookie serían todo lo que tendría que comer en toda su vida. Puede pensar que eso es mucha energía, pero en realidad es la cantidad natural de energía que se asocia con el sistema. Simplemente resulta que las reacciones químicas tienen muy poca energía. Esto se debe a que los electrones son pequeños en comparación con los nucleones y porque la energía de las reacciones químicas es proporcional al cuadrado de la constante de estructura fina, que es 1/137. Entonces, realmente tiene más sentido decir que las energías con las que tratamos todos los días no son nada.
