Energía

En física , energía (del griego antiguo ἐνέργεια ( enérgeia )  'actividad') es la propiedad cuantitativa que se transfiere a un cuerpo o a un sistema físico , reconocible en la realización de un trabajo y en forma de calor y luz . La energía es una cantidad conservada : la ley de conservación de la energía establece que la energía se puede convertir en forma, pero no crearse ni destruirse. La unidad de medida de la energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el julio (J).

Las formas comunes de energía incluyen la energía cinética de un objeto en movimiento, la energía potencial almacenada por un objeto (por ejemplo, debido a su posición en un campo ), la energía elástica almacenada en un objeto sólido, la energía química asociada con reacciones químicas , la energía radiante. energía transportada por la radiación electromagnética y la energía interna contenida dentro de un sistema termodinámico . Todos los organismos vivos absorben y liberan energía constantemente.

Debido a la equivalencia masa-energía , cualquier objeto que tenga masa cuando está estacionario (llamada masa en reposo ) también tiene una cantidad equivalente de energía cuya forma se llama energía en reposo , y cualquier energía adicional (de cualquier forma) adquirida por el objeto por encima de esa energía en reposo aumentará la masa total del objeto del mismo modo que aumenta su energía total.

La civilización humana requiere energía para funcionar, que obtiene de recursos energéticos como los combustibles fósiles , el combustible nuclear o las energías renovables . Los procesos climáticos y ecosistémicos de la Tierra están impulsados ​​por la energía que el planeta recibe del Sol (aunque también aporta una pequeña cantidad la energía geotérmica ).

Formularios

En un rayo típico , 500 megajulios de energía potencial eléctrica se convierten en la misma cantidad de energía en otras formas, principalmente energía luminosa , energía sonora y energía térmica .

La energía térmica es la energía de los constituyentes microscópicos de la materia, que pueden incluir tanto energía cinética como potencial .

La energía total de un sistema se puede subdividir y clasificar en energía potencial , energía cinética o combinaciones de ambas de diversas formas. La energía cinética está determinada por el movimiento de un objeto (o el movimiento compuesto de los componentes del objeto), mientras que la energía potencial refleja el potencial de un objeto para tener movimiento, y generalmente se basa en la posición del objeto dentro de un campo o en lo que se almacena dentro del campo. sí mismo. ^[1]

Si bien estas dos categorías son suficientes para describir todas las formas de energía, a menudo es conveniente referirse a combinaciones particulares de energía potencial y cinética como su propia forma. Por ejemplo, la suma de la energía cinética y potencial de traslación y rotación dentro de un sistema se conoce como energía mecánica , mientras que la energía nuclear se refiere a los potenciales combinados dentro de un núcleo atómico provenientes de la fuerza nuclear o de la fuerza débil , entre otros ejemplos. ^[2]

Historia

Thomas Young , la primera persona en utilizar el término "energía" en el sentido moderno

La palabra energía deriva del griego antiguo : ἐνέργεια , romanizado :  energeia , lit.  'actividad, operación', ^[3] que posiblemente aparece por primera vez en la obra de Aristóteles en el siglo IV a.C. En contraste con la definición moderna, energeia era un concepto filosófico cualitativo, lo suficientemente amplio como para incluir ideas como la felicidad y el placer.

A finales del siglo XVII, Gottfried Leibniz propuso la idea del latín : vis viva , o fuerza viva, que se definía como el producto de la masa de un objeto por su velocidad al cuadrado; creía que se conservaba la vis viva total. Para explicar la desaceleración debida a la fricción, Leibniz teorizó que la energía térmica consistía en los movimientos de las partes constituyentes de la materia, aunque pasaría más de un siglo hasta que esto fuera generalmente aceptado. El análogo moderno de esta propiedad, la energía cinética , difiere de la vis viva sólo en un factor de dos. Emilie du Châtelet , que escribió a principios del siglo XVIII, propuso el concepto de conservación de la energía en los márgenes de su traducción al francés de los Principia Mathematica de Newton , que representaba la primera formulación de una cantidad medible conservada que era distinta del momento y que más tarde llamarse "energía".

En 1807, Thomas Young fue posiblemente el primero en utilizar el término "energía" en lugar de vis viva , en su sentido moderno. ^[4] Gustave-Gaspard Coriolis describió la " energía cinética " en 1829 en su sentido moderno, y en 1853, William Rankine acuñó el término " energía potencial ". La ley de conservación de la energía también se postuló por primera vez a principios del siglo XIX y se aplica a cualquier sistema aislado . Durante algunos años se discutió si el calor era una sustancia física, denominada calórica , o simplemente una cantidad física, como el impulso . En 1845 James Prescott Joule descubrió el vínculo entre el trabajo mecánico y la generación de calor.

Estos avances condujeron a la teoría de la conservación de la energía, formalizada en gran medida por William Thomson ( Lord Kelvin ) como el campo de la termodinámica . La termodinámica contribuyó al rápido desarrollo de explicaciones de los procesos químicos por parte de Rudolf Clausius , Josiah Willard Gibbs y Walther Nernst . También condujo a una formulación matemática del concepto de entropía por parte de Clausius y a la introducción de las leyes de la energía radiante por parte de Jožef Stefan . Según el teorema de Noether , la conservación de la energía es consecuencia de que las leyes de la física no cambian con el tiempo. ^[5] Así, desde 1918, los teóricos han comprendido que la ley de conservación de la energía es la consecuencia matemática directa de la simetría traslacional de la cantidad conjugada con la energía, es decir, el tiempo.

Unidades de medida

Aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor. Un peso descendente atado a una cuerda hace que gire una paleta sumergida en agua.

En 1843, James Prescott Joule descubrió de forma independiente el equivalente mecánico en una serie de experimentos. El más famoso de ellos utilizó el "aparato de Joule": un peso descendente, sujeto a una cuerda, provocaba la rotación de una paleta sumergida en agua, prácticamente aislada de la transferencia de calor. Demostró que la energía potencial gravitacional perdida por el peso al descender era igual a la energía interna ganada por el agua por fricción con la paleta.

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de energía es el julio, llamado así por Joule. Es una unidad derivada . Es igual a la energía gastada (o trabajo realizado) al aplicar una fuerza de un newton a lo largo de una distancia de un metro. Sin embargo, la energía también se expresa en muchas otras unidades que no forman parte del SI, como ergios , calorías , unidades térmicas británicas , kilovatios-hora y kilocalorías , que requieren un factor de conversión cuando se expresan en unidades SI.

La unidad SI de tasa de energía (energía por unidad de tiempo) es el vatio , que es un julio por segundo. Por lo tanto, un julio es un vatio-segundo y 3600 julios equivalen a un vatio-hora. La unidad de energía CGS es el ergio y la unidad tradicional imperial y estadounidense es el pie libra . Otras unidades de energía como el electronvoltio , la caloría alimentaria o la kcal termodinámica (basada en el cambio de temperatura del agua en un proceso de calentamiento) y el BTU se utilizan en áreas específicas de la ciencia y el comercio.

Uso científico

Mecanica clasica

En la mecánica clásica, la energía es una propiedad conceptual y matemáticamente útil, al ser una cantidad conservada . Se han desarrollado varias formulaciones de mecánica utilizando la energía como concepto central.

El trabajo , una función de la energía, es fuerza multiplicada por la distancia.

${\displaystyle W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }$

Esto dice que el trabajo ( ) es igual a la integral de línea de la fuerza F a lo largo de una trayectoria C ; para más detalles consulte el artículo sobre trabajo mecánico . El trabajo y, por tanto, la energía dependen del marco . Por ejemplo, consideremos una pelota golpeada por un bate. En el sistema de referencia del centro de masa, el bate no realiza ningún trabajo sobre la pelota. Pero, en el marco de referencia de la persona que batea, se realiza un trabajo considerable sobre la pelota. ${\displaystyle W}$

La energía total de un sistema a veces se llama hamiltoniano , en honor a William Rowan Hamilton . Las ecuaciones clásicas de movimiento se pueden escribir en términos del hamiltoniano, incluso para sistemas muy complejos o abstractos. Estas ecuaciones clásicas tienen analogías notablemente directas en la mecánica cuántica no relativista. ^[6]

Otro concepto relacionado con la energía se llama lagrangiano , en honor a Joseph-Louis Lagrange . Este formalismo es tan fundamental como el hamiltoniano, y ambos pueden usarse para derivar las ecuaciones de movimiento o derivarse de ellas. Fue inventado en el contexto de la mecánica clásica , pero generalmente es útil en la física moderna. El lagrangiano se define como la energía cinética menos la energía potencial. Por lo general, el formalismo de Lagrange es matemáticamente más conveniente que el hamiltoniano para sistemas no conservativos (como los sistemas con fricción).

El teorema de Noether (1918) establece que cualquier simetría diferenciable de la acción de un sistema físico tiene una ley de conservación correspondiente. El teorema de Noether se ha convertido en una herramienta fundamental de la física teórica moderna y del cálculo de variaciones. Una generalización de las formulaciones fundamentales sobre constantes de movimiento en la mecánica lagrangiana y hamiltoniana (1788 y 1833, respectivamente), no se aplica a sistemas que no pueden modelarse con un lagrangiano; por ejemplo, los sistemas disipativos con simetrías continuas no necesitan tener una ley de conservación correspondiente.

Química

En el contexto de la química , la energía es un atributo de una sustancia como consecuencia de su estructura atómica, molecular o agregada. Dado que una transformación química va acompañada de un cambio en uno o más de estos tipos de estructura, suele ir acompañada de una disminución y, a veces, un aumento de la energía total de las sustancias involucradas. Se puede transferir algo de energía entre el entorno y los reactivos en forma de calor o luz; por tanto, los productos de una reacción a veces tienen más, pero normalmente menos, energía que los reactivos. Se dice que una reacción es exotérmica o exergónica si el estado final es más bajo en la escala de energía que el estado inicial; en el caso menos común de reacciones endotérmicas la situación es la inversa. Las reacciones químicas generalmente no son posibles a menos que los reactivos superen una barrera energética conocida como energía de activación . La velocidad de una reacción química (a una temperatura dada  T ) está relacionada con la energía de activación  E mediante el factor de población de Boltzmann e ^{− E / kT} ; es decir, la probabilidad de que una molécula tenga energía mayor o igual a  E a una temperatura determinada  T. Esta dependencia exponencial de la velocidad de reacción con la temperatura se conoce como ecuación de Arrhenius . La energía de activación necesaria para una reacción química se puede proporcionar en forma de energía térmica.

Biología

Descripción básica de la energía y la vida humana.

En biología , la energía es un atributo de todos los sistemas biológicos, desde la biosfera hasta el organismo vivo más pequeño. Dentro de un organismo es responsable del crecimiento y desarrollo de una célula biológica u orgánulo de un organismo biológico. La energía utilizada en la respiración se almacena en sustancias como carbohidratos (incluidos los azúcares), lípidos y proteínas almacenadas por las células . En términos humanos, el equivalente humano (He) (Conversión de energía humana) indica, para una determinada cantidad de gasto energético, la cantidad relativa de energía necesaria para el metabolismo humano , utilizando como estándar un gasto energético humano medio de 12.500 kJ por día y una tasa metabólica basal de 80 vatios. Por ejemplo, si nuestros cuerpos funcionan (en promedio) con 80 vatios, entonces una bombilla que funcione con 100 vatios funcionará con 1,25 equivalentes humanos (100 ÷ 80), es decir, 1,25 He. Para una tarea difícil que dura sólo unos segundos, una persona puede generar miles de vatios, muchas veces los 746 vatios de un caballo de fuerza oficial. Para tareas que duran unos minutos, un ser humano en forma puede generar quizás 1.000 vatios. Para una actividad que debe mantenerse durante una hora, la producción cae a alrededor de 300; para una actividad que se mantiene durante todo el día, 150 vatios es aproximadamente el máximo. ^[7] El equivalente humano ayuda a comprender los flujos de energía en los sistemas físicos y biológicos expresando las unidades de energía en términos humanos: proporciona una "sensación" del uso de una determinada cantidad de energía. ^[8]

La energía radiante de la luz solar también es captada por las plantas como energía potencial química en la fotosíntesis , cuando el dióxido de carbono y el agua (dos compuestos de baja energía) se convierten en carbohidratos, lípidos, proteínas y oxígeno. La liberación de la energía almacenada durante la fotosíntesis en forma de calor o luz puede desencadenarse repentinamente por una chispa en un incendio forestal, o puede estar disponible más lentamente para el metabolismo animal o humano cuando se ingieren moléculas orgánicas y el catabolismo se desencadena por la acción enzimática .

Todos los seres vivos dependen de una fuente externa de energía para poder crecer y reproducirse: energía radiante del Sol en el caso de las plantas verdes y energía química (de alguna forma) en el caso de los animales. Las 1500-2000 calorías diarias  (6-8 MJ) recomendadas para un adulto humano se toman como moléculas de alimento, principalmente carbohidratos y grasas, de las cuales la glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) y la estearina (C ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ ) son ejemplos convenientes. Las moléculas de los alimentos se oxidan a dióxido de carbono y agua en las mitocondrias.

$${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}$$

$${\displaystyle {\ce {C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O}}}$$

ADPATP

ADP + HPO ₄ ²⁻ → ATP + H ₂ O

El resto de la energía química de los carbohidratos o las grasas se convierte en calor: el ATP se utiliza como una especie de "moneda energética", y parte de la energía química que contiene se utiliza para otros metabolismos cuando el ATP reacciona con los grupos OH y, finalmente, se divide en ADP y fosfato (en cada etapa de una ruta metabólica , parte de la energía química se convierte en calor). Sólo una pequeña fracción de la energía química original se utiliza para el trabajo : ^{[nota 1]}

ganancia de energía cinética de un velocista durante una carrera de 100 m: 4 kJ

ganancia de energía potencial gravitacional de un peso de 150 kg elevado a través de 2 metros: 3 kJ

Ingesta diaria de alimentos de un adulto normal: 6 a 8 MJ

Parecería que los organismos vivos son notablemente ineficientes (en el sentido físico) en el uso de la energía que reciben (energía química o radiante); la mayoría de las máquinas logran mayores eficiencias. En los organismos en crecimiento, la energía que se convierte en calor tiene un propósito vital, ya que permite que el tejido del organismo esté altamente ordenado con respecto a las moléculas que lo componen. La segunda ley de la termodinámica establece que la energía (y la materia) tiende a distribuirse más uniformemente por todo el universo: para concentrar la energía (o la materia) en un lugar específico, es necesario distribuir una mayor cantidad de energía (en forma de calor). en el resto del universo ("el entorno"). ^{[nota 2]} Los organismos más simples pueden lograr mayores eficiencias energéticas que los más complejos, pero los organismos complejos pueden ocupar nichos ecológicos que no están disponibles para sus hermanos más simples. La conversión de una parte de la energía química en calor en cada paso de una ruta metabólica es la razón física detrás de la pirámide de biomasa observada en ecología . A modo de ejemplo, para tomar sólo el primer paso en la cadena alimentaria : de los 124,7 Pg/a estimados de carbono que se fija mediante la fotosíntesis , 64,3 Pg/a (52%) se utilizan para el metabolismo de las plantas verdes, ^[9] es decir reconvertido en dióxido de carbono y calor.

Ciencias de la Tierra

En geología , la deriva continental , las cadenas montañosas , los volcanes y los terremotos son fenómenos que pueden explicarse en términos de transformaciones energéticas en el interior de la Tierra, ^[10] mientras que los fenómenos meteorológicos como el viento, la lluvia, el granizo, la nieve , los rayos, los tornados y los huracanes son todo resultado de las transformaciones energéticas en nuestra atmósfera provocadas por la energía solar .

La luz solar es el principal insumo del presupuesto energético de la Tierra , que explica su temperatura y estabilidad climática. La luz del sol puede almacenarse como energía potencial gravitacional después de impactar la Tierra, como (por ejemplo, cuando) el agua se evapora de los océanos y se deposita en las montañas (donde, después de ser liberada en una represa hidroeléctrica, puede usarse para impulsar turbinas o generadores para produce electricidad). La luz del sol también impulsa la mayoría de los fenómenos meteorológicos, salvo algunas excepciones, como las generadas por eventos volcánicos, por ejemplo. Un ejemplo de fenómeno meteorológico mediado por el sol es un huracán, que se produce cuando grandes zonas inestables de océano cálido, calentadas durante meses, ceden repentinamente parte de su energía térmica para alimentar unos días de violento movimiento de aire.

En un proceso más lento, la desintegración radiactiva de los átomos en el núcleo de la Tierra libera calor. Esta energía térmica impulsa la tectónica de placas y puede levantar montañas a través de la orogénesis . Este lento levantamiento representa una especie de almacenamiento de energía potencial gravitacional de la energía térmica, que luego puede transformarse en energía cinética activa durante los deslizamientos de tierra, después de un evento desencadenante. Los terremotos también liberan energía potencial elástica almacenada en las rocas, una reserva que en última instancia se ha producido a partir de las mismas fuentes de calor radiactivo. Así, según el conocimiento actual, acontecimientos conocidos como deslizamientos de tierra y terremotos liberan energía que ha sido almacenada como energía potencial en el campo gravitacional de la Tierra o deformación elástica (energía potencial mecánica) en las rocas. Antes de esto, representan la liberación de energía que ha estado almacenada en átomos pesados ​​desde el colapso de las estrellas supernova destruidas hace mucho tiempo (que crearon estos átomos).

Cosmología

En cosmología y astronomía, los fenómenos de estrellas , novas , supernovas , quásares y estallidos de rayos gamma son las transformaciones de materia de mayor producción de energía del universo. Todos los fenómenos estelares (incluida la actividad solar) están impulsados ​​por diversos tipos de transformaciones energéticas. La energía en tales transformaciones proviene del colapso gravitacional de la materia (generalmente hidrógeno molecular) en varias clases de objetos astronómicos (estrellas, agujeros negros, etc.) o de la fusión nuclear (de elementos más ligeros, principalmente hidrógeno). La fusión nuclear del hidrógeno en el Sol también libera otra reserva de energía potencial que se creó en el momento del Big Bang . En aquella época, según la teoría, el espacio se expandió y el universo se enfrió demasiado rápido como para que el hidrógeno se fusionara por completo en elementos más pesados. Esto significaba que el hidrógeno representa una reserva de energía potencial que puede liberarse mediante fusión. Este proceso de fusión se desencadena por el calor y la presión generados por el colapso gravitacional de las nubes de hidrógeno cuando producen estrellas, y parte de la energía de fusión se transforma luego en luz solar.

Mecánica cuántica

En mecánica cuántica , la energía se define en términos del operador energético (hamiltoniano) como una derivada temporal de la función de onda . La ecuación de Schrödinger equipara el operador de energía con la energía total de una partícula o de un sistema. Sus resultados pueden considerarse como una definición de medición de energía en mecánica cuántica. La ecuación de Schrödinger describe la dependencia espacial y temporal de una función de onda que cambia lentamente (no relativista) de los sistemas cuánticos. La solución de esta ecuación para un sistema ligado es discreta (un conjunto de estados permitidos, cada uno caracterizado por un nivel de energía ), lo que da como resultado el concepto de cuantos . En la solución de la ecuación de Schrödinger para cualquier oscilador (vibrador) y para ondas electromagnéticas en el vacío, los estados de energía resultantes están relacionados con la frecuencia mediante la relación de Planck : (donde está la constante de Planck y la frecuencia). En el caso de una onda electromagnética estos estados energéticos se denominan cuantos de luz o fotones . ${\displaystyle E=h\nu }$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle \nu }$

Relatividad

Al calcular la energía cinética ( trabajo para acelerar un cuerpo masivo desde una velocidad cero hasta una velocidad finita) de manera relativista (utilizando transformaciones de Lorentz en lugar de la mecánica newtoniana ), Einstein descubrió un subproducto inesperado de estos cálculos: un término de energía que no desaparece en cero. velocidad. La llamó energía en reposo : energía que todo cuerpo masivo debe poseer incluso cuando está en reposo. La cantidad de energía es directamente proporcional a la masa del cuerpo:

$${\displaystyle E_{0}=m_{0}c^{2},}$$

• m ₀ es la masa en reposo del cuerpo,
• c es la velocidad de la luz en el vacío,
• ${\displaystyle E_{0}}$es la energía en reposo.

Por ejemplo, consideremos la aniquilación electrón - positrón , en la que la energía en reposo de estas dos partículas individuales (equivalente a su masa en reposo) se convierte en la energía radiante de los fotones producidos en el proceso. En este sistema la materia y la antimateria (electrones y positrones) se destruyen y se transforman en no materia (los fotones). Sin embargo, la masa total y la energía total no cambian durante esta interacción. Cada uno de los fotones no tiene masa en reposo pero, no obstante, tiene energía radiante que exhibe la misma inercia que las dos partículas originales. Este es un proceso reversible (el proceso inverso se llama creación de pares ) en el que la masa restante de partículas se crea a partir de la energía radiante de dos (o más) fotones aniquiladores.

En la relatividad general, el tensor tensión-energía sirve como término fuente para el campo gravitacional, en una analogía aproximada con la forma en que la masa sirve como término fuente en la aproximación newtoniana no relativista. ^[11]

La energía y la masa son manifestaciones de la misma propiedad física subyacente de un sistema. Esta propiedad es responsable de la inercia y la fuerza de la interacción gravitacional del sistema ("manifestaciones de masa"), y también es responsable de la capacidad potencial del sistema para realizar trabajo o calentamiento ("manifestaciones de energía"), sujeto a las limitaciones de otras leyes físicas.

En física clásica , la energía es una cantidad escalar, el conjugado canónico con el tiempo. En la relatividad especial, la energía también es un escalar (aunque no un escalar de Lorentz sino un componente de tiempo del 4-vector energía-momento ). ^[11] En otras palabras, la energía es invariante con respecto a las rotaciones del espacio , pero no invariante con respecto a las rotaciones del espacio-tiempo (= impulsos ).

Transformación

Un turbogenerador transforma la energía del vapor a presión en energía eléctrica.

La energía se puede transformar entre diferentes formas con diversas eficiencias . Los elementos que se transforman entre estas formas se denominan transductores . Ejemplos de transductores incluyen una batería (de energía química a energía eléctrica ), una presa (de energía potencial gravitacional a energía cinética del agua en movimiento (y las palas de una turbina ) y, en última instancia, a energía eléctrica a través de un generador eléctrico ), y un generador de calor. motor (del calor al trabajo).

Ejemplos de transformación de energía incluyen generar energía eléctrica a partir de energía térmica a través de una turbina de vapor o levantar un objeto contra la gravedad utilizando energía eléctrica que impulsa el motor de una grúa. Levantar contra la gravedad realiza un trabajo mecánico sobre el objeto y almacena energía potencial gravitacional en el objeto. Si el objeto cae al suelo, la gravedad realiza un trabajo mecánico sobre el objeto que transforma la energía potencial en el campo gravitacional en energía cinética liberada en forma de calor al impactar con el suelo. El Sol transforma la energía potencial nuclear en otras formas de energía; su masa total no disminuye debido a eso en sí (ya que todavía contiene la misma energía total incluso en diferentes formas), pero su masa sí disminuye cuando la energía escapa a su entorno, en gran parte como energía radiante .

Existen límites estrictos en cuanto a la eficiencia con la que se puede convertir el calor en trabajo en un proceso cíclico, por ejemplo en una máquina térmica, como lo describen el teorema de Carnot y la segunda ley de la termodinámica . Sin embargo, algunas transformaciones energéticas pueden ser bastante eficientes. La dirección de las transformaciones de la energía (qué tipo de energía se transforma en qué otro tipo) suele estar determinada por consideraciones de entropía (igualdad de energía distribuida entre todos los grados de libertad disponibles ). En la práctica, todas las transformaciones de energía están permitidas a pequeña escala, pero ciertas transformaciones más grandes no están permitidas porque es estadísticamente improbable que la energía o la materia se muevan aleatoriamente hacia formas más concentradas o espacios más pequeños.

Las transformaciones de energía en el universo a lo largo del tiempo se caracterizan por varios tipos de energía potencial, que ha estado disponible desde el Big Bang , siendo "liberada" (transformada en tipos de energía más activos, como la energía cinética o radiante) cuando está disponible un mecanismo desencadenante. . Ejemplos familiares de tales procesos incluyen la nucleosíntesis , un proceso que en última instancia utiliza la energía potencial gravitacional liberada por el colapso gravitacional de las supernovas para "almacenar" energía en la creación de isótopos pesados ​​(como el uranio y el torio ), y la desintegración nuclear , un proceso en el que Se libera energía que originalmente estaba almacenada en estos elementos pesados, antes de que fueran incorporados al Sistema Solar y a la Tierra. Esta energía se activa y libera en las bombas de fisión nuclear o en la generación de energía nuclear civil. De manera similar, en el caso de una explosión química , la energía potencial química se transforma en energía cinética y térmica en muy poco tiempo.

Otro ejemplo más es el de un péndulo . En sus puntos más altos la energía cinética es cero y la energía potencial gravitacional es máxima. En su punto más bajo la energía cinética es máxima y es igual a la disminución de la energía potencial . Si se supone (de manera poco realista) que no hay fricción ni otras pérdidas, la conversión de energía entre estos procesos sería perfecta y el péndulo continuaría oscilando para siempre.

La energía también se transfiere de energía potencial ( ) a energía cinética ( ) y luego nuevamente a energía potencial constantemente. Esto se conoce como conservación de energía. En este sistema aislado , la energía no se puede crear ni destruir; por tanto, la energía inicial y la energía final serán iguales entre sí. Esto se puede demostrar mediante lo siguiente: ${\displaystyle E_{p}}$ ${\displaystyle E_{k}}$

Luego, la ecuación se puede simplificar aún más ya que (masa multiplicada por la aceleración debida a la gravedad multiplicada por la altura) y (media masa multiplicada por la velocidad al cuadrado). Luego, la cantidad total de energía se puede encontrar sumando . ${\displaystyle E_{p}=mgh}$ ${\textstyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$ ${\displaystyle E_{p}+E_{k}=E_{\text{total}}}$

Conservación de energía y masa en transformación.

La energía da lugar a peso cuando queda atrapada en un sistema con impulso cero, donde se puede pesar. También es equivalente a masa, y esta masa siempre está asociada a ella. La masa también es equivalente a una cierta cantidad de energía, y de la misma manera siempre aparece asociada a ella, como se describe en Equivalencia masa-energía . La fórmula E  =  mc² , derivada por Albert Einstein (1905) cuantifica la relación entre masa relativista y energía dentro del concepto de relatividad especial. En diferentes marcos teóricos, JJ Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904) y otros derivaron fórmulas similares (ver Equivalencia masa-energía#Historia para más información).

Parte de la energía en reposo (equivalente a la masa en reposo) de la materia se puede convertir en otras formas de energía (que aún exhiben masa), pero ni la energía ni la masa pueden destruirse; más bien, ambos permanecen constantes durante cualquier proceso. Sin embargo, dado que es extremadamente grande en relación con las escalas humanas ordinarias, la conversión de una cantidad diaria de masa en reposo (por ejemplo, 1 kg) de energía en reposo a otras formas de energía (como la energía cinética, la energía térmica o la energía radiante transportada) por luz y otras radiaciones) puede liberar enormes cantidades de energía (~ julios = 21 megatones de TNT), como se puede ver en los reactores nucleares y las armas nucleares. Por el contrario, la masa equivalente de una cantidad diaria de energía es minúscula, razón por la cual la pérdida de energía (pérdida de masa) de la mayoría de los sistemas es difícil de medir en una báscula, a menos que la pérdida de energía sea muy grande. En la física nuclear y la física de partículas se encuentran ejemplos de grandes transformaciones entre la energía en reposo (de la materia) y otras formas de energía (p. ej., energía cinética en partículas con masa en reposo) . Sin embargo, a menudo las leyes de conservación prohíben la conversión completa de materia (como los átomos) en no materia (como los fotones) . ${\displaystyle c^{2}}$ ${\displaystyle 9\times 10^{16}}$

Transformaciones reversibles y no reversibles.

La termodinámica divide la transformación de energía en dos tipos: procesos reversibles y procesos irreversibles . Un proceso irreversible es aquel en el que la energía se disipa (difunde) en estados energéticos vacíos disponibles en un volumen, del cual no se puede recuperar en formas más concentradas (menos estados cuánticos), sin degradar aún más energía. Un proceso reversible es aquel en el que este tipo de disipación no ocurre. Por ejemplo, la conversión de energía de un tipo de campo potencial a otro es reversible, como en el sistema de péndulo descrito anteriormente. En los procesos donde se genera calor, los estados cuánticos de menor energía, presentes como posibles excitaciones en campos entre átomos, actúan como reservorio de parte de la energía, de la que no se puede recuperar, para ser convertida con un 100% de eficiencia en otras. formas de energia. En este caso, la energía debe permanecer en parte como energía térmica y no puede recuperarse completamente como energía utilizable, excepto al precio de un aumento en algún otro tipo de aumento del desorden en los estados cuánticos del universo, similar al calor (como una expansión de la materia, o una aleatorización en un cristal).

A medida que el universo evoluciona con el tiempo, una cantidad cada vez mayor de su energía queda atrapada en estados irreversibles (es decir, como calor u otros tipos de aumento del desorden). Esto ha llevado a la hipótesis de la inevitable muerte termodinámica del universo por calor . En esta muerte por calor no cambia la energía del universo, pero sí la fracción de energía que está disponible para realizar trabajo a través de un motor térmico , o ser transformada en otras formas utilizables de energía (mediante el uso de generadores conectados a motores térmicos), continúa disminuyendo.

Conservacion de energia

El hecho de que la energía no se pueda crear ni destruir se llama ley de conservación de la energía . En la forma de la primera ley de la termodinámica , esto establece que la energía de un sistema cerrado es constante a menos que la energía se transfiera hacia adentro o hacia afuera como trabajo o calor , y que no se pierde energía en la transferencia. La entrada total de energía a un sistema debe ser igual a la salida total de energía del sistema, más el cambio en la energía contenida dentro del sistema. Siempre que se mide (o calcula) la energía total de un sistema de partículas cuyas interacciones no dependen explícitamente del tiempo, se encuentra que la energía total del sistema siempre permanece constante. ^[12]

Si bien el calor siempre se puede convertir completamente en trabajo en una expansión isotérmica reversible de un gas ideal, para los procesos cíclicos de interés práctico en máquinas térmicas la segunda ley de la termodinámica establece que el sistema que realiza trabajo siempre pierde algo de energía como calor residual . Esto crea un límite a la cantidad de energía térmica que puede realizar trabajo en un proceso cíclico, un límite llamado energía disponible . La energía mecánica y otras formas de energía se pueden transformar en energía térmica en la dirección contraria sin tales limitaciones. ^[13] La energía total de un sistema se puede calcular sumando todas las formas de energía en el sistema.

Richard Feynman dijo durante una conferencia en 1961: ^[14]

Existe un hecho, o si se quiere, una ley , que rige todos los fenómenos naturales que se conocen hasta la fecha. No se conoce ninguna excepción a esta ley; hasta donde sabemos, es exacta. La ley se llama conservación de la energía . Afirma que hay una cierta cantidad, que llamamos energía, que no cambia en los múltiples cambios que sufre la naturaleza. Ésa es una idea muy abstracta, porque es un principio matemático; dice que hay una cantidad numérica que no cambia cuando sucede algo. No es una descripción de un mecanismo, ni de nada concreto; Es simplemente un hecho extraño que podamos calcular algún número y cuando terminamos de observar a la naturaleza realizar sus trucos y calcular el número nuevamente, es lo mismo.

—  Las conferencias Feynman sobre física

La mayoría de los tipos de energía (siendo la energía gravitacional una excepción notable) ^[15] también están sujetos a estrictas leyes de conservación locales. En este caso, la energía sólo puede intercambiarse entre regiones adyacentes del espacio y todos los observadores están de acuerdo en cuanto a la densidad volumétrica de energía en cualquier espacio dado. También existe una ley global de conservación de la energía, que establece que la energía total del universo no puede cambiar; este es un corolario de la ley local, pero no al revés. ^{[13] [14]}

Esta ley es un principio fundamental de la física. Como lo muestra rigurosamente el teorema de Noether , la conservación de la energía es una consecuencia matemática de la simetría traslacional del tiempo, ^[16] una propiedad de la mayoría de los fenómenos por debajo de la escala cósmica que los hace independientes de sus ubicaciones en la coordenada temporal. Dicho de otra manera, ayer, hoy y mañana son físicamente indistinguibles. Esto se debe a que la energía es la cantidad canónicamente conjugada con el tiempo. Este entrelazamiento matemático de energía y tiempo también da como resultado el principio de incertidumbre: es imposible definir la cantidad exacta de energía durante cualquier intervalo de tiempo definido (aunque esto es prácticamente significativo sólo para intervalos de tiempo muy cortos). El principio de incertidumbre no debe confundirse con la conservación de la energía; más bien, proporciona límites matemáticos hasta los cuales, en principio, se puede definir y medir la energía.

Cada una de las fuerzas básicas de la naturaleza está asociada con un tipo diferente de energía potencial, y todos los tipos de energía potencial (como todos los demás tipos de energía) aparecen como masa del sistema , siempre que estén presentes. Por ejemplo, un resorte comprimido será un poco más masivo que antes de ser comprimido. Asimismo, siempre que se transfiere energía entre sistemas mediante cualquier mecanismo, se transfiere con él una masa asociada.

En mecánica cuántica la energía se expresa mediante el operador hamiltoniano . En cualquier escala de tiempo, la incertidumbre en la energía es por

${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}}$

que es similar en forma al Principio de Incertidumbre de Heisenberg (pero en realidad no es matemáticamente equivalente, ya que H y t no son variables dinámicamente conjugadas, ni en la mecánica clásica ni en la cuántica).

En física de partículas , esta desigualdad permite una comprensión cualitativa de las partículas virtuales , que transportan impulso . El intercambio de partículas virtuales con partículas reales es responsable de la creación de todas las fuerzas fundamentales conocidas (más exactamente conocidas como interacciones fundamentales ). Los fotones virtuales también son responsables de la interacción electrostática entre cargas eléctricas (que resulta en la ley de Coulomb ), de la desintegración radiativa espontánea de estados atómicos y nucleares excitados, de la fuerza de Casimir , de la fuerza de Van der Waals y de algunos otros fenómenos observables.

Transferencia de energía

Sistemas cerrados

La transferencia de energía puede considerarse para el caso especial de sistemas cerrados a transferencias de materia. La porción de energía que se transfiere mediante fuerzas conservativas a lo largo de una distancia se mide como el trabajo que realiza el sistema fuente sobre el sistema receptor. La porción de energía que no realiza trabajo durante la transferencia se llama calor . ^{[nota 3]} La energía se puede transferir entre sistemas de diversas formas. Los ejemplos incluyen la transmisión de energía electromagnética a través de fotones, colisiones físicas que transfieren energía cinética , ^{[nota 4]} interacciones de marea , ^[17] y la transferencia conductiva de energía térmica .

La energía se conserva estrictamente y también se conserva localmente dondequiera que pueda definirse. En termodinámica, para sistemas cerrados, el proceso de transferencia de energía se describe mediante la primera ley : ^{[nota 5]}

donde es la cantidad de energía transferida,   representa el trabajo realizado sobre o por el sistema y representa el flujo de calor dentro o fuera del sistema. Como simplificación, a veces se puede ignorar el término calor, especialmente para procesos rápidos que involucran gases, que son malos conductores del calor, o cuando la eficiencia térmica de la transferencia es alta. Para tales procesos adiabáticos , ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$

Esta ecuación simplificada es la que se utiliza para definir el julio , por ejemplo.

Sistemas abiertos

Más allá de las limitaciones de los sistemas cerrados, los sistemas abiertos pueden ganar o perder energía en asociación con la transferencia de materia (este proceso se ilustra con la inyección de una mezcla de aire y combustible en el motor de un automóvil, un sistema que gana energía de ese modo, sin agregar trabajo). o calor). Denotando esta energía por , se puede escribir ${\displaystyle E_{\text{matter}}}$

Termodinámica

Energía interna

La energía interna es la suma de todas las formas microscópicas de energía de un sistema. Es la energía necesaria para crear el sistema. Está relacionado con la energía potencial, por ejemplo, la estructura molecular, la estructura cristalina y otros aspectos geométricos, así como el movimiento de las partículas, en forma de energía cinética. La termodinámica se ocupa principalmente de los cambios en la energía interna y no de su valor absoluto, que es imposible de determinar únicamente con la termodinámica. ^[18]

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica afirma que la energía total de un sistema y su entorno (pero no necesariamente la energía libre termodinámica ) siempre se conserva ^[19] y que el flujo de calor es una forma de transferencia de energía. Para sistemas homogéneos, con una temperatura y presión bien definidas, un corolario comúnmente utilizado de la primera ley es que, para un sistema sujeto sólo a fuerzas de presión y transferencia de calor (por ejemplo, un cilindro lleno de gas) sin cambios químicos, la El cambio diferencial en la energía interna del sistema (con una ganancia de energía representada por una cantidad positiva) se da como

${\displaystyle \mathrm {d} E=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V\,}$,

donde el primer término de la derecha es el calor transferido al sistema, expresado en términos de temperatura T y entropía S (en el que la entropía aumenta y su cambio d S es positivo cuando se agrega calor al sistema), y el último término en el lado derecho se identifica como el trabajo realizado sobre el sistema, donde la presión es P y el volumen V (el signo negativo resulta ya que la compresión del sistema requiere que se realice trabajo sobre él y, por lo tanto, el cambio de volumen, d V , es negativo cuando el trabajo se realiza en el sistema).

Esta ecuación es muy específica e ignora todas las fuerzas químicas, eléctricas, nucleares y gravitacionales, efectos como la advección de cualquier forma de energía que no sea el calor y el trabajo fotovoltaico . La formulación general de la primera ley (es decir, conservación de la energía) es válida incluso en situaciones en las que el sistema no es homogéneo. Para estos casos, el cambio en la energía interna de un sistema cerrado se expresa en forma general por

${\displaystyle \mathrm {d} E=\delta Q+\delta W}$

¿Dónde está el calor suministrado al sistema y el trabajo aplicado al sistema? ${\displaystyle \delta Q}$ ${\displaystyle \delta W}$

Equipartición de energía

La energía de un oscilador armónico mecánico (una masa sobre un resorte) es alternativamente energía cinética y potencial . En dos puntos del ciclo de oscilación es completamente cinético y en dos puntos es completamente potencial. Durante un ciclo completo, o durante muchos ciclos, la energía promedio se divide equitativamente entre cinética y potencial. Este es un ejemplo del principio de equipartición : la energía total de un sistema con muchos grados de libertad se divide equitativamente entre todos los grados de libertad disponibles, en promedio.

Este principio es de vital importancia para comprender el comportamiento de una cantidad estrechamente relacionada con la energía, llamada entropía . La entropía es una medida de uniformidad de la distribución de energía entre las partes de un sistema. Cuando a un sistema aislado se le dan más grados de libertad (es decir, se le dan nuevos estados de energía disponibles que son iguales a los estados existentes), entonces la energía total se distribuye por igual entre todos los grados disponibles sin distinción entre grados "nuevos" y "antiguos". Este resultado matemático forma parte de la segunda ley de la termodinámica . La segunda ley de la termodinámica es simple sólo para sistemas que están cerca o en un estado de equilibrio físico . Para los sistemas que no están en equilibrio, las leyes que gobiernan el comportamiento de los sistemas aún son discutibles. Uno de los principios rectores de estos sistemas es el principio de máxima producción de entropía . ^{[20] [21]} Afirma que los sistemas en desequilibrio se comportan de tal manera que maximizan su producción de entropía. ^[22]

Ver también

• Portal de energía
• Portal de física
• Portal de energías renovables

• Combustión
• Democracia energética
• Índice de artículos sobre energía.
• Índice de artículos de olas.
• Órdenes de magnitud (energía)
• Central eléctrica
• Transferir energía

Notas

1. Estos ejemplos son únicamente ilustrativos, ya que no es la energía disponible para el trabajo lo que limita el rendimiento del atleta sino la producción de potencia (en el caso de un velocista) y la fuerza (en el caso de un levantador de pesas).
2. Los cristales son otro ejemplo de sistemas altamente ordenados que existen en la naturaleza: también en este caso, el orden está asociado con la transferencia de una gran cantidad de calor (conocida como energía reticular ) al entorno.
3. Aunque el calor es energía "desperdiciada" para una transferencia de energía específica (ver: calor residual ), a menudo se puede aprovechar para realizar un trabajo útil en interacciones posteriores. Sin embargo, la energía máxima que se puede "reciclar" de tales procesos de recuperación está limitada por la segunda ley de la termodinámica .
4. El mecanismo de la mayoría de las colisiones físicas macroscópicas es en realidad electromagnético , pero es muy común simplificar la interacción ignorando el mecanismo de colisión y simplemente calculando el resultado inicial y final.
5. Existen varias convenciones de signos para esta ecuación . Aquí, los signos de esta ecuación siguen la convención IUPAC.

Referencias

1. Bobrowsky, Matt. "CIENCIA 101: P: ¿Qué es la energía?". JSTOR . Ciencia y niños . págs. 61–65. doi :10.1080/19434812.2021.12291716. ISSN  0036-8148 . Consultado el 5 de febrero de 2024 .
2. "Energía nuclear | Definición, fórmula y ejemplos | nuclear-power.com". La energía nuclear . Archivado desde el original el 6 de julio de 2022 . Consultado el 6 de julio de 2022 .
3. Harper, Douglas. "Energía". Diccionario de etimología en línea . Archivado desde el original el 11 de octubre de 2007 . Consultado el 1 de mayo de 2007 .
4. Smith, Crosbie (1998). La ciencia de la energía: una historia cultural de la física de la energía en la Gran Bretaña victoriana . Prensa de la Universidad de Chicago. ISBN 978-0-226-76420-7.
5. Lofts, G; O'Keeffe D; et al. (2004). "11 - Interacciones mecánicas". Física de Jacarandá 1 (2 ed.). Milton, Queensland, Australia: John Wiley & Sons Australia Ltd. p. 286.ISBN _ 978-0-7016-3777-4.
6. El sitio web Hamiltonian MIT OpenCourseWare 18.013A Capítulo 16.3 Consultado en febrero de 2007.
7. "Recuperado el 29 de mayo de 2009". Uic.edu. Archivado desde el original el 4 de junio de 2010 . Consultado el 12 de diciembre de 2010 .
8. Calculadora de bicicletas: velocidad, peso, potencia, etc. "Calculadora de bicicletas". Archivado desde el original el 13 de mayo de 2009 . Consultado el 29 de mayo de 2009 ..
9. Ito, Akihito; Oikawa, Takehisa (2004). "Mapeo global de la productividad primaria terrestre y la eficiencia del uso de la luz con un modelo basado en procesos. Archivado el 2 de octubre de 2006 en la Wayback Machine " en Shiyomi, M. et al. (Eds.) Cambio ambiental global en el océano y en la tierra. págs. 343–58.
10. "Presupuesto energético de la Tierra". Okfirst.ocs.ou.edu. Archivado desde el original el 27 de agosto de 2008 . Consultado el 12 de diciembre de 2010 .
11. Misner, Thorne, Wheeler (1973). Gravitación . San Francisco: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
12. Curso de Física de Berkeley Volumen 1. Charles Kittel, Walter D Knight y Malvin A Ruderman
13. Las leyes de la termodinámica Archivado el 15 de diciembre de 2006 en Wayback Machine , incluidas definiciones cuidadosas de energía, energía libre, etc.
14. Feynman, Richard (1964). Las Conferencias Feynman sobre Física; Volumen 1. Estados Unidos: Addison Wesley. ISBN 978-0-201-02115-8. Archivado desde el original el 30 de julio de 2022 . Consultado el 4 de mayo de 2022 .
15. "El descubrimiento de E. Noether de la profunda conexión entre simetrías y leyes de conservación". Física.ucla.edu. 1918-07-16. Archivado desde el original el 14 de mayo de 2011 . Consultado el 12 de diciembre de 2010 .
16. "Invariancia del tiempo". Ptolomeo.eecs.berkeley.edu. Archivado desde el original el 17 de julio de 2011 . Consultado el 12 de diciembre de 2010 .
17. Jaffe, Robert L.; Taylor, Washington (2018). La Física de la Energía. Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 611.ISBN _ 9781107016651. Archivado desde el original el 30 de julio de 2022 . Consultado el 22 de mayo de 2022 .
18. I. Klotz, R. Rosenberg, Termodinámica química: conceptos y métodos básicos , 7ª ed., Wiley (2008), pág. 39
19. Kittel y Kroemer (1980). Física Térmica . Nueva York: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-1088-2.
20. Onsager, L. (1931). "Relaciones recíprocas en procesos irreversibles". Física. Rdo . 37 (4): 405–26. Código bibliográfico : 1931PhRv...37..405O. doi : 10.1103/PhysRev.37.405 .
21. Martyushev, LM; Seleznev, VD (2006). "Principio de producción máxima de entropía en física, química y biología". Informes de Física . 426 (1): 1–45. Código Bib : 2006PhR...426....1M. doi :10.1016/j.physrep.2005.12.001.
22. Belkin, A.; et., al. (2015). "Nanoestructuras ondulantes autoensambladas y el principio de producción máxima de entropía". Ciencia. Representante . 5 : 8323. Código Bib : 2015NatSR...5E8323B. doi :10.1038/srep08323. PMC 4321171 . PMID  25662746. 

Otras lecturas

• Alekseev, GN (1986). Energía y entropía. Moscú: Editorial Mir.
• La Biosfera (Un libro de Scientific American ), San Francisco, WH Freeman and Co., 1970, ISBN 0-7167-0945-7 . Este libro, publicado originalmente en 1970 por Scientific American , cubre prácticamente todas las preocupaciones y conceptos importantes que se han debatido desde entonces en relación con los recursos materiales y energéticos , las tendencias demográficas y la degradación ambiental . 
• Crowell, Benjamin (2011), "cap. 11", Luz y materia , Fullerton, California: Luz y materia, archivado desde el original el 19 de mayo de 2011 , consultado el 12 de abril de 2017
• Energía y potencia (un libro de Scientific American ), San Francisco, WH Freeman and Co., 1971, ISBN 0-7167-0938-4 . 
• Ross, John S. (23 de abril de 2002). «Trabajo, Potencia, Energía Cinética» (PDF) . Proyecto PHYSNET . Universidad del estado de michigan. Archivado (PDF) desde el original el 26 de abril de 2011 . Consultado el 10 de abril de 2009 .
• Santos, Gildo M. "Energía en Brasil: un panorama histórico", The Journal of Energy History (2018), en línea Archivado el 9 de febrero de 2019 en Wayback Machine.
• Sonríe, Vaclav (2008). La energía en la naturaleza y la sociedad: energética general de sistemas complejos . Cambridge, Estados Unidos: MIT Press. ISBN 978-0-262-19565-2.
• Walding, Richard; Rapkins, Greg; Rossiter, Glenn (1999). Física Senior del Nuevo Siglo . Melbourne, Australia: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-551084-3.

Revistas

• Revista de Historia de la Energía / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE), 2018–

enlaces externos

• Energía en Curlie
• Diferencias entre calor y energía térmica (Archivado el 27 de agosto de 2016 en Wayback Machine ) – BioCab