La energía en los combustibles y en los alimentos

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¿QUÉ COMBUSTIBLE ELEGIR? VALOR ENERGÉTICO DE LOS COMBUSTIBLES
Existen diversos criterios a la hora de elegir un combustible para un fin determinado. Entre los más
importantes podemos mencionar: su coste, la facilidad con que se quema, la facilidad de transporte y
almacenaje, su peligrosidad y la contaminación que
puede causar. Desde un punto de vista estrictamente
termoquímico, el factor fundamental a la hora de
establecer la calidad de un producto químico que se
emplea como combustible es la cantidad de energía
que se transfiere en forma calor por cada gramo de
combustible quemado con oxígeno. A este valor se le
denomina entalpía específica (en unidades kJ/g).
Como puede apreciarse en la figura y en la tabla los
valores más elevados de entalpía de reacción no se
corresponden necesariamente con los valores máximos de entalpía específica.
Entalpías de reacción (kJ/mol) y entalpías específicas (kJ/g) de algunos combustibles
Combustible
Ecuación de combustión
∆Hº(kJ/mol) ∆Hº(kJ/g)
Hidrógeno
Carbono
Metano
Etanol
Butano
octano
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l)
C (s) + O2 (g) → CO2 (g)
CH4 (g)+ 2 O2 (g) → 2CO2 (g) + 3H2O (l)
C2H5OH (l) + 3 O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)
C4H10 (g)+ 13/2 O2 (g) → 4CO2 (g) + 5 H2O (g)
C8H18 (g)+ 25/2 O2 (g) → 8CO2 (g) + 9 H2O (l)
- 286
- 394
- 890
- 1.235
- 2. 658
- 5.471
- 143
-33
- 55
- 27
- 46
- 48
El hidrógeno posee un valor elevado de entalpía específica. Ello propició su empleo como
combustible de cohetes en viajes espaciales, aunque en la actualidad se ha sustituido por otras
sustancias con este fin. Una ventaja adicional del hidrógeno es que no produce dióxido de carbono
en su combustión, evitando así contribuir al llamado efecto invernadero. A pesar de algunas
investigaciones recientes realizadas para el motor de vehículos, algunas serias desventajas impiden
que, de momento, su empleo se extienda para otros fines. Podemos citar el inconveniente económico
que supone su obtención; en la actualidad los procedimientos que se utilizan para obtener hidrógeno
(electrólisis del agua o a partir de metano y agua) son muy caros, ya que son procesos muy
endoenergéticos. Con todo, la investigación conducente a aprovechar la luz solar y el empleo de
catalizadores es una prometedora vía de obtención de este gas. Otra vía de investigación supone
modificar el proceso fotosintético de las plantas para que proporcionen hidrógeno a partir de agua, en
lugar de carbohidratos. Una desventaja adicional del empleo del H2 como combustible radica en
tener que manejarlo en estado gaseoso (ocupa un gran volumen) ya que sólo se puede mantener en
estado líquido a 20 K (P =1 atm). Además, el hidrógeno forma mezclas explosivas con el aire en un
amplio intervalo de composición. Para evitar estos inconvenientes se han empleado aleaciones de
tierras raras, de forma que el hidrógeno puede ser adsorbido en grandes cantidades por las mismas,
liberándose para ser utilizado en el motor paulatinamente al aumentar la temperatura.
Los combustibles convencionales como la gasolina o el gasóleo poseen una entalpía específica de
unos -48 kJlg. Tienen la ventaja de poseer una densidad de entalpía (en unidades MJ/L) elevada. Por
ejemplo, la gasolina tiene una densidad de entalpía de 38 MJ/L, que contrasta con la del hidrogeno
líquido (10 MJ/L). Esta circunstancia permite que los depósitos de combustible de los automóviles no
necesiten ser muy voluminosos para almacenar una gran reserva de energía. Otros hidrocarburos
como el propano o el butano son ampliamente utilizados en calefacción. Se almacenan en estado
líquido (a altas presiones) en tanques o recipientes metálicos. Todas estas sustancias se obtienen
del petróleo o del gas natural. La limitación principal es la cantidad finita de estas dos fuentes
naturales de hidrocarburos y su agotamiento en las próximas décadas.
Como alternativas a los combustibles tradicionales se emplean otra como el gasohol o el biodiesel.
El gasohol es una mezcla de gasolina convencional y etanol. Un importante inconveniente es que la
entalpía específica del etanol es de sólo -27 kJ/g (frente a -48 kJ/g de la gasolina por lo que la
cantidad de combustible que necesita un automóvil se incrementa con la cantidad de etanol de la
mezcla. Además, la energía que requiere para obtener etanol es prácticamente la misma que la que
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proporciona en su combustión. Por último, teniendo en cuenta que una fuente natural de etanol es la
fermentación de azúcares, una política agraria que destine grandes extensiones de terreno fértil a la
producción de maíz puede ocasionar como contrapartida el encarecimiento de productos
alimenticios. El gasohol se utiliza ampliamente en Brasil. El biodiesel es una mezcla de diesel y
ésteres metílicos de ácidos grasos. La principal fuente de estas sustancias es el aceite de colza. En
España la empresa Repsol está investigando a partir de los productos derivados del aceite de
girasol, ya que en nuestro país no se cultiva la colza. Se han llevado a cabo proyectos
experimentales para el transporte público en Valencia, Valladolid Madrid. El biodiesel es menos
contaminante que el diesel normal, contribuyendo en menor medida al denominado efecto
invernadero. Todavía su proceso de obtención impide obtenerlo a un precio competitivo.
El metano está empezando a ser una importante alternativa a los hidrocarburos de cadena más
larga debido a la explotación y distribución de grandes yacimientos de gas natural (ej. Argelia). Otra
fuente natural procede del biogas, que es una mezcla de hidrocarburos (principalmente CH4)
obtenida por la acción bacteriana, en ausencia de aire sobre la materia orgánica en descomposición.
Esta fuente de metano importante en granjas de animales. Finalmente, destacar los enormes
yacimientos de metano (metano hidratado) que se han localizado en Alaska, Siberia y Canadá, a
gran profundidad y sometidos a grandes presiones. Se estima que las reservas de CH4 suponen más
del doble que las del resto de combustibles fósiles. Se está investigando una técnica que suponga su
obtención sin causar una contaminación que puede ser catastrófica si escapa directamente a la
atmósfera: el metano contribuye con mucha mayor intensidad que el dióxido de carbono al
denominado efecto invernadero.
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COMER MALO DE FORMA EQUILIBRADA. ESA ES LA CUESTIÓN
LA ENERGÍA QUÍMICA DE LOS ALIMENTOS
Las comidas y bebidas que tomamos a lo largo del día constituyen el combustible necesario para
mantener constante la temperatura de nuestro cuerpo y realizar el resto de funciones fisiológicas;
además, al igual que el combustible de los motores nos proporcionan la energía suficiente para el
movimiento (realización de trabajo). El valor energético del alimento diario, necesario para mantener
el peso del cuerpo de una persona adulta con actividad normal es de unas 39 kcal/kg.
En la tabla se proporcionan los valores energéticos aproximados promedio de algunos alimentos. La
mayor parte de la energía de nuestro cuerpo proviene del metabolismo de azúcares (carbohidratos) y
grasas (lípidos). En la primera fase de la digestión, los carbohidratos se escinden proporcionando
glucosa, que es soluble en agua y puede ser transportada por la sangre a todo el organismo. En las
células, a través de un complejo mecanismo, la glucosa es oxidada completamente a dióxido de
carbono y agua:
C6H1206(aq) + 6 O2 (g) → 6 CO2(g) + 6 H2O(l); ∆H = -2 816 kJ.
La glucosa posee una entalpía específica de combustión de 16 kJ/g (3,8 kcal/g).
Valores energéticos de algunos alimentos en kcal/100 g
Filete de ternera
Chuletas de cordero
Pollo sin piel
Hamburguesa
Pescado (bacalao, etc.)
Licor (38°)
Manteca de cerdo
176
377
121
280
76
230
890
Leche entera
Leche semides.
Yogur (125 g)
Helado
Pan
Arroz
65
34
88
260
Espinacas
Berenjenas
Tomates
Guisantes
255 Lechuga
361 Naranja
26
14
22
67
12
35
Manzana
Plátano
Tarta
Frutos secos (nueces, etc.)
Mantequilla
Patatas fritas
57
84
323
670
700
680
Cuando las grasas se metabolizan también proporcionan finalmente dióxido de carbono y agua. Por
ejemplo, la ecuación termoquímica de la triestearina, (C57H11006) es la siguiente:
2 C57H110O6(s) + 163 O2(g) → 114 CO2(g) + 110 H2O(l); ∆H = -75.520 kJ.
La entalpía específica de las grasas es aproximadamente de 38 kJ/g (9,3kcal/g).
Un tercer grupo de sustancias, de menor importancia en cuanto a su aporte energético, es el de las
proteínas. Poseen una entalpía específica de 13 kJ/g (3,1 kcal/g). Diferentes alimentos tienen una
composición característica en carbohidratos, lípidos y proteínas. Fácilmente se puede establecer la
relación que explica cada uno de los contenidos energéticos con su composición.
Los carbohidratos se metabolizan de forma más rápida que las grasas. El cuerpo de los animales usa
las grasas como almacén de energía. Sin entrar en el análisis de aspectos metabólicos específicos
(que pueden ser muy diversos y complicados), podemos decir de forma general que si una persona
ingiere un tipo y una cantidad de alimentos con un contenido energético superior al que utiliza
diariamente, la grasa se irá acumulando en su organismo (algunas veces de forma visible y otras no
tanto: corazón, riñones, bazo, etc.). El alcohol -con una entalpía específica de 6,9 kcal/g- procedente
de las bebidas alcohólicas (cerveza, licores, etc) y los carbohidratos se oxidan antes que las grasas,
por lo que el exceso de comida (y bebida) ingerido se traduce en una acumulación de grasa en
diferentes partes de su cuerpo.
Normalmente, los alimentos proporcionan en sus etiquetas su contenido energético en 'Calorías'
(cal). Estas unidades equivalen en realidad a kcal.
Aparte de las consideraciones energéticas, la dieta debe ser lo suficientemente equilibrada para
aportar las sustancias que nuestro organismo necesita. Una dieta normal en cuanto a la variedad y
cantidad de alimentos que deben ingerirse puede ajustarse a la realizada por el bioquímico
Francisco Grande Covián, que tiene en cuenta el modelo de reparto de alimentos en una dieta de
2720 kcal diarias, destinada a un varón adulto normal, de actividad física moderada. Clasifica los
alimentos en seis grandes grupos: 1. leches y derivados (huevos y quesos) (265 g); 2. Carnes, aves
y pescado (260 g); 3. grasas y aceites (72 g);4. cereales, leguminosas, pan, papas, azúcar (670 g);
5. hortalizas y verduras 8225 g); 6. frutas frescas (200 g). La energía y nutrientes del modelo de
distribución de alimentos descrito requiere una determinada ingesta de cantidades diarias de
nutrientes consistente en unos 85 g de proteínas (13 % del total), 104 g de grasas (34 % de la
energía total), 361 g de hidratos de carbono (53 % de la energía total), así como pequeñísimas
cantidades de sales minerales y vitaminas: calcio (702 mg); hierro 818 mg); vitamina A (1025 µg);
vitamina C (144 µg); colesterol (305 µg); tiamina (8 1,5 mg); riboflavina (81,6 mg) y niacina (27 mg).