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Articulo de referencia

Energía

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La energía ( del griego antiguo ἐνέργεια ( enérgeia ) , ' actividad ' ) es la propiedad cuantitativa que se transfiere a un cuerpo o a un sistema físico , reconocible por su capacidad para realizar trabajo y en forma de calor y luz . La energía es una magnitud conservada : la ley de conservación de la energía establece que la energía puede transformarse , 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 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 a las reacciones químicas , la energía radiante transportada por la radiación electromagnética , la energía interna contenida en un sistema termodinámico y la energía de reposo asociada a la masa en reposo de un objeto . Estas no son mutuamente excluyentes.

Todos los organismos vivos absorben y liberan energía constantemente. El clima de la Tierra y los procesos de los ecosistemas están impulsados ​​principalmente por la energía radiante del Sol . [ 6 ]

Formularios

En un rayo típico , 500 megajulios de energía potencial eléctrica se convierten en la misma cantidad de energía en otras formas, principalmente energía lumínica , energía sonora y energía térmica .
La energía térmica es la energía de los constituyentes microscópicos de la materia, que puede incluir tanto energía cinética como potencial .

La energía total de un sistema puede subdividirse y clasificarse en energía potencial , energía cinética o combinaciones de ambas de diversas maneras. La energía cinética está determinada por el movimiento de un objeto —o el movimiento compuesto de sus componentes—, mientras que la energía potencial refleja la capacidad de un objeto para moverse, generalmente basada en la posición del objeto dentro de un campo o en la energía almacenada en dicho campo. [ 7 ]

Si bien estas dos categorías son suficientes para describir todas las formas de energía, a menudo resulta conveniente referirse a combinaciones particulares de energía potencial y cinética como una forma propia. Por ejemplo, la suma de la energía cinética y potencial traslacional y rotacional dentro de un sistema se denomina energía mecánica , mientras que la energía nuclear se refiere a los potenciales combinados dentro de un núcleo atómico, ya sea por la fuerza nuclear o la fuerza débil , entre otros ejemplos. [ 8 ]

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 ' , [ 11 ] que posiblemente aparece por primera vez en la obra de Aristóteles en el siglo IV a. C. A diferencia de la definición moderna, energeia era un concepto filosófico cualitativo, lo suficientemente amplio como para incluir ideas como la felicidad y el placer. [ 12 ] 

A finales del siglo XVII, Gottfried Leibniz propuso la idea del término latino vis viva , o fuerza viva, definida como el producto de la masa de un objeto por el cuadrado de su velocidad; creía que la vis viva total se conservaba. 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 transcurriría más de un siglo hasta que esto fuera generalmente aceptado. El análogo moderno de esta propiedad, la energía cinética , difiere de la vis viva solo por un factor de dos. [ 13 ] A principios del siglo XVIII, Émilie du Châtelet propuso el concepto de conservación de la energía en las notas al margen de su traducción al francés de los Principia Mathematica de Newton , que representó la primera formulación de una magnitud medible conservada, distinta del momento lineal , y que más tarde se denominaría «energía». [ 14 ]

En 1807, Thomas Young fue posiblemente el primero en usar el término "energía" en lugar de vis viva , en su sentido moderno. [ 15 ] Gustave-Gaspard Coriolis describió la " energía cinética " en 1829 en su sentido moderno, [ 16 ] y en 1853, William Rankine acuñó el término " energía potencial ". [ 17 ] 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 . [ 18 ] Durante algunos años se debatió si el calor era una sustancia física, denominada calor , o simplemente una magnitud física, como el momento . En 1845, James Prescott Joule descubrió el vínculo entre el trabajo mecánico y la generación de calor. [ 19 ]

Estos desarrollos 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 . [ 20 ] La termodinámica contribuyó al rápido desarrollo de las explicaciones de los procesos químicos por parte de Rudolf Clausius , Josiah Willard Gibbs , Walther Nernst y otros. [ 21 ] También condujo a una formulación matemática del concepto de entropía por Clausius [ 22 ] y a la introducción de las leyes de la energía radiante por Jožef Stefan . [ 23 ] Según el teorema de Noether , la conservación de la energía es consecuencia del hecho de que las leyes de la física no cambian con el tiempo. [ 24 ] 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 magnitud conjugada a la energía, es decir, el tiempo. [ 25 ]

La teoría de la relatividad especial de Albert Einstein de 1905 demostró que la masa en reposo corresponde a una cantidad equivalente de energía en reposo . Esto significa que la masa en reposo puede convertirse en cantidades equivalentes de formas de energía (no materiales), por ejemplo, energía cinética, energía potencial y energía radiante electromagnética . Cuando esto sucede, la masa en reposo no se conserva, a diferencia de la masa total o la energía total . Todas las formas de energía contribuyen a la masa total y a la energía total. Por lo tanto, la conservación de la energía ( total , incluyendo la energía material o en reposo ) y la conservación de la masa ( total , no solo la de reposo ) son una ley (equivalente). En el siglo XVIII, estas habían aparecido como dos leyes aparentemente distintas. [ 26 ] [ 27 ]

La primera evidencia de cuantización en átomos fue la observación de líneas espectrales en la luz del sol a principios del siglo XIX por Joseph von Fraunhofer y William Hyde Wollaston . La noción de niveles de energía cuantizados fue propuesta en 1913 por el físico danés Niels Bohr en la teoría atómica de Bohr. La teoría mecánica cuántica moderna que da una explicación de estos niveles de energía en términos de la ecuación de Schrödinger fue desarrollada por Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg en 1926. [ 28 ] El teorema de Noether muestra que la simetría de esta ecuación es equivalente a una conservación de la probabilidad . [ 29 ] A nivel cuántico, todas las interacciones masa-energía están sujetas a este principio. [ 30 ] Durante el colapso de la función de onda , la conservación de la energía no se cumple a nivel local, aunque estadísticamente el principio se cumple en promedio para un número suficientemente grande de colapsos. [ 31 ] La conservación de la energía se aplica durante el colapso de la función de onda en la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica de H. Everett . [ 32 ]

Unidades de medida

Aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor. Un peso que desciende, sujeto a una cuerda, hace girar una paleta sumergida en agua.

En el análisis dimensional , las unidades básicas de energía se definen como: Trabajo = Fuerza × Distancia = ML²T⁻² , con las dimensiones fundamentales de Masa M, Longitud L y tiempo T. [ 5 ] En el Sistema Internacional de Unidades ( SI), la unidad de energía es el julio . Es una unidad derivada que equivale a la energía consumida, o trabajo realizado, al aplicar una fuerza de un newton a través de una distancia de un metro. [ 1 ]

La unidad de potencia del SI , definida como energía por unidad de tiempo, es el vatio , que equivale a un julio por segundo. [ 3 ] Por lo tanto, un kilovatio-hora (kWh), que se puede obtener como la energía suministrada por un kilovatio de potencia durante una hora, equivale a 3,6 millones de julios. [ 33 ] La unidad de energía del CGS es el erg y la unidad del sistema imperial y estadounidense es el pie-libra . [ 34 ]

Otras unidades de energía, como el electronvoltio , la caloría alimentaria , la kilocaloría termodinámica y la BTU, se utilizan en áreas específicas de la ciencia y el comercio. [ 35 ] [ 2 ]

Uso científico

Mecánica clásica

En mecánica clásica , la energía es una propiedad conceptual y matemáticamente útil, ya que es una magnitud conservada . Se han desarrollado diversas formulaciones de la mecánica utilizando la energía como concepto fundamental.

El trabajo , una función de la energía, es fuerza por distancia. [ 36 ]

W=∫doF⋅ds{\displaystyle W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }

Esto dice que el trabajo (W{\displaystyle W}) 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 lo tanto, la energía dependen del sistema de referencia . Por ejemplo, considérese una pelota golpeada por un bate. En el sistema de referencia del centro de masas , el bate no realiza trabajo sobre la pelota. Pero, en el sistema de referencia de la persona que balancea el bate, se realiza un trabajo considerable sobre la pelota. [ 37 ]

La energía total de un sistema se denomina a veces hamiltoniano , en honor a William Rowan Hamilton . Las ecuaciones clásicas del movimiento pueden escribirse en términos del hamiltoniano, incluso para sistemas muy complejos o abstractos. [ 38 ] Estas ecuaciones clásicas tienen análogos directos en la mecánica cuántica no relativista. [ 39 ]

Otro concepto relacionado con la energía se denomina lagrangiano , en honor a Joseph-Louis Lagrange . Este formalismo es tan fundamental como el hamiltoniano, y ambos pueden utilizarse para derivar las ecuaciones de movimiento o derivarse de ellas. Fue inventado en el contexto de la mecánica clásica , pero es de utilidad general en la física moderna. El lagrangiano se define como la energía cinética menos la energía potencial. Por lo general, el formalismo de Lagrange resulta matemáticamente más conveniente que el hamiltoniano para sistemas no conservativos (como los sistemas con fricción). [ 40 ]

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. Si bien es una generalización de las formulaciones seminales 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; [ 41 ] 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, generalmente conlleva una disminución, y a veces un aumento, de la energía total de las sustancias involucradas. Parte de la energía puede transferirse entre el entorno y los reactivos en forma de calor o luz; por lo tanto, los productos de una reacción a veces tienen más energía, pero generalmente menos, que los reactivos. Se dice que una reacción es exotérmica o exergónica si el estado final tiene una energía menor que el estado inicial; en el caso menos común de las reacciones endotérmicas , la situación es la inversa. [ 42 ]

Las reacciones químicas generalmente no son posibles a menos que los reactivos superen una barrera de energía conocida como energía de activación . La velocidad de una reacción química (a una temperatura T dada ) 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 una energía mayor o igual a E a una temperatura T dada . Esta dependencia exponencial de la velocidad de reacción con la temperatura se conoce como la ecuación de Arrhenius . La energía de activación necesaria para una reacción química puede proporcionarse en forma de energía térmica. [ 43 ]     

Biología

Panorama general básico 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. Permite el crecimiento, el desarrollo y el funcionamiento de una célula u orgánulo biológico en un organismo. Todos los seres vivos dependen de una fuente externa de energía para crecer y reproducirse: la energía radiante del Sol en el caso de las plantas verdes y la energía química (en alguna forma) en el caso de los animales. La energía proporcionada a través de la respiración celular se almacena en nutrientes como carbohidratos (incluidos los azúcares), lípidos y proteínas por las células . [ 44 ]

La energía radiante de la luz solar es capturada 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. [ 45 ] 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 . [ 46 ]

Humanos

La tasa metabólica basal mide el gasto energético de los alimentos por unidad de tiempo en animales endotérmicos en reposo. [ 47 ] En otras palabras, es la energía que requieren los órganos del cuerpo para funcionar normalmente. En los humanos, el equivalente metabólico de la tarea (MET) compara el gasto energético por unidad de masa al realizar una actividad física, en relación con una línea de base. Por convención, esta línea de base es de 3,5  ml de oxígeno consumido por kg por minuto, que es la energía consumida por un individuo típico cuando está sentado en reposo. [ 48 ]

En términos humanos, el equivalente humano (He) (conversión de energía humana) indica, para una cantidad dada de gasto energético, la cantidad relativa de energía necesaria para el metabolismo humano , utilizando como estándar un gasto energético humano promedio de 6900  kJ por día y una tasa metabólica basal de 80 vatios. Por ejemplo, si nuestros cuerpos funcionan (en promedio) a 80 vatios, entonces una bombilla que funciona a 100 vatios funciona a 1,25 equivalentes humanos (100 ÷ 80), es decir, 1,25 He. Para una tarea difícil de solo unos segundos de duración, una persona puede producir miles de vatios, muchas veces los 746 vatios de un caballo de fuerza oficial. Para tareas que duran unos minutos, un humano en buena forma física puede generar quizás 1000 vatios. Para una actividad que debe mantenerse durante una hora, la producción se reduce a alrededor de 300; para una actividad que se mantiene durante todo el día, 150 vatios es aproximadamente el máximo. [ 49 ] El equivalente humano ayuda a comprender los flujos de energía en los sistemas físicos y biológicos al expresar las unidades de energía en términos humanos: proporciona una "sensación" del uso de una cantidad determinada de energía. [ 50 ]

Las 1600–3000 calorías diarias (7–13 MJ) recomendadas para un adulto humano se toman como moléculas de alimentos, [ 51 ] principalmente carbohidratos y grasas. Solo 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 en la energía potencial gravitatoria de un  peso de 150 kg levantado a través de 2  metros: 3  kJ
Ingesta diaria de alimentos de un adulto normal: 6–8  MJ

Parece ser 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 una mayor eficiencia.

En los organismos en crecimiento, la energía que se convierte en calor cumple una función 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 de manera más uniforme por el universo: para concentrar energía (o materia) en un lugar específico, es necesario distribuir una mayor cantidad de energía (en forma de calor) por el resto del universo ("el entorno"). [ nota 2 ] Los organismos más simples pueden alcanzar mayores eficiencias energéticas que los más complejos, pero los organismos complejos pueden ocupar nichos ecológicos que no están disponibles para sus congéneres más simples. La conversión de una porción de la energía química en calor en cada paso de una vía metabólica es la razón física detrás de la pirámide de biomasa observada en ecología . Como ejemplo, para tomar solo el primer paso en la cadena alimentaria : de los 124,7  Pg/a estimados de carbono que se fijan por fotosíntesis , 64,3  Pg/a (52%) se utilizan para el metabolismo de las plantas verdes, [ 52 ] es decir, se reconvierten en dióxido de carbono y calor.

Metabolismo celular

Los organismos multicelulares, como los humanos, poseen células clasificadas como eucariotas . Estas células incluyen un orgánulo llamado mitocondria , que genera energía química para el resto de la célula. El noventa por ciento del oxígeno que consumen los humanos es utilizado por las mitocondrias , especialmente para el procesamiento de nutrientes. [ 53 ] La molécula de adenosín trifosfato (ATP) es el principal transportador de energía en las células vivas, proporcionando una fuente de energía para los procesos celulares. Se descompone y sintetiza continuamente como parte de la respiración celular. [ 54 ]

Dos ejemplos de nutrientes consumidos por los animales son la glucosa (C 6 H 12 O 6 ) y la estearina (C 57 H 110 O 6 ). Estas moléculas de alimentos se oxidan a dióxido de carbono y agua en las mitocondrias: [ 55 ]do6H12O6+6O2⟶6CO2+6H2O{\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}do57H110O6+(8112)O2⟶57CO2+55H2O{\displaystyle {\ce {C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O}}} y parte de la energía se utiliza para convertir ADP en ATP : [ 56 ] [ 53 ]

ADP + HPO 4 2− → ATP + H 2 O

El resto de la energía química de los nutrientes 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 procesos metabólicos cuando el ATP reacciona con grupos OH y finalmente se divide en ADP y fosfato (en cada etapa de una vía metabólica , parte de la energía química se convierte en calor).

Ciencias de la Tierra

En geología , la deriva continental , las cordilleras , los volcanes y los terremotos son fenómenos que pueden explicarse en términos de transformaciones de energía en el interior de la Tierra, [ 57 ] mientras que los fenómenos meteorológicos como el viento, la lluvia , el granizo , la nieve, los relámpagos, los tornados y los huracanes son todos resultado de transformaciones de energía en nuestra atmósfera provocadas por la energía solar .

La luz solar es el principal aporte al balance energético de la Tierra, que explica su temperatura y estabilidad climática, después de considerar la interacción con la atmósfera. [ 58 ] La luz solar puede almacenarse como energía potencial gravitatoria después de incidir sobre 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 accionar turbinas o generadores para producir electricidad). [ 59 ] Un ejemplo de un fenómeno meteorológico mediado por el sol es un huracán, que ocurre cuando grandes áreas inestables de océano cálido, calentadas durante meses, ceden repentinamente parte de su energía térmica para impulsar unos días de violento movimiento del aire. [ 60 ]

En un proceso más lento, la desintegración radiactiva de átomos en el núcleo de la Tierra libera calor, que provee más de la mitad del presupuesto térmico interno del planeta . [ 61 ] En la actualidad, esta producción de calor radiogénico fue impulsada principalmente por la desintegración de Uranio-235 , Potasio-40 y Torio-232 en algún momento del pasado. [ 62 ] Esta energía térmica impulsa la tectónica de placas y puede elevar montañas, a través de la orogénesis . Este levantamiento lento representa una especie de almacenamiento de energía potencial gravitatoria de la energía térmica, que luego puede transformarse en energía cinética activa durante deslizamientos de tierra, después de un evento desencadenante. Los terremotos también liberan energía potencial elástica almacenada en las rocas, un almacenamiento que ha sido producido en última instancia a partir de las mismas fuentes de calor radiactivo. Por lo tanto, según la comprensión actual, eventos comunes como deslizamientos de tierra y terremotos liberan energía que ha sido almacenada como energía potencial en el campo gravitatorio de la Tierra o deformación elástica (energía potencial mecánica) en las rocas. [ 63 ] Antes de esto, representan la liberación de energía que ha estado almacenada en átomos pesados ​​desde el colapso de estrellas supernovas destruidas hace mucho tiempo (que crearon estos átomos). [ 64 ]

En las primeras etapas de la historia de un planeta, el proceso de acreción proporciona energía de impacto que puede fundir parcial o totalmente su cuerpo. Esto permite que un planeta se diferencie por elementos químicos. Los cambios de fase química de los minerales durante su formación proporcionan un calentamiento interno adicional. Con el tiempo, el calor interno se transporta a la superficie y luego se irradia al espacio, enfriando el cuerpo. Las fuentes de calor radiogénico acumuladas se asientan hacia el núcleo, proporcionando energía térmica al planeta en una escala de tiempo geológica . [ 65 ] La sedimentación continua proporciona una fuente de energía interna persistente para planetas gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno . [ 66 ]

Cosmología

En cosmología y astronomía, los fenómenos de las estrellas , las novas , las supernovas , los cuásares y los estallidos de rayos gamma representan las transformaciones de energía de la materia con mayor producción en el universo. Todos los fenómenos estelares (incluida la actividad solar) son impulsados ​​por diversos tipos de transformaciones de energía. La energía en dichas transformaciones proviene del colapso gravitacional de la materia (generalmente hidrógeno molecular) en diversas clases de objetos astronómicos (estrellas, agujeros negros , etc.), o de la fusión nuclear (de elementos más ligeros, principalmente hidrógeno). [ 67 ]

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 ese momento, según la teoría, el espacio se expandió y el universo se enfrió demasiado rápido como para que el hidrógeno se fusionara completamente en elementos más pesados. Esto significa que el hidrógeno representa una reserva de energía potencial que puede liberarse mediante la fusión. Este proceso de fusión se desencadena por el calor y la presión generados por el colapso gravitacional de las nubes de hidrógeno cuando dan origen a las estrellas, y parte de la energía de fusión se transforma entonces en luz solar. [ 68 ]

La acreción de materia sobre un objeto compacto es un medio muy eficiente de generar energía a partir del potencial gravitatorio . Este comportamiento es responsable de algunas de las fuentes de energía persistentes más brillantes del universo. [ 69 ] El proceso de Penrose es un método teórico mediante el cual se podría extraer energía de un agujero negro en rotación. [ 70 ] La radiación de Hawking es la emisión de radiación de cuerpo negro de un agujero negro, que resulta en una pérdida constante de masa y energía rotacional. A medida que el objeto se evapora, se predice que la temperatura de esta radiación aumentará, acelerando el proceso. [ 71 ]

Mecánica cuántica

En mecánica cuántica , la energía se define en términos del operador de energía (hamiltoniano) como la derivada temporal de la función de onda . La ecuación de Schrödinger equipara el operador de energía a la energía total de una partícula o un sistema. Sus resultados pueden considerarse como una definición de la medición de la energía en mecánica cuántica. La ecuación de Schrödinger describe la dependencia espacial y temporal de una función de onda de cambio lento (no relativista) de 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 lugar al concepto de cuantos . [ 72 ]

Para las ondas electromagnéticas en el vacío, los estados de energía están relacionados con la frecuencia mediante la relación de Planck :mi=hν{\displaystyle E=h\nu }, dóndeh{\displaystyle h}es la constante de Planck yν{\displaystyle \nu }la frecuencia. Estos estados de energía se denominan cuantos de luz o fotones . [ 73 ]

Relatividad

Al calcular la energía cinética ( trabajo necesario para acelerar un cuerpo masivo desde velocidad cero hasta una velocidad finita) de forma 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 se anula a velocidad cero. Lo denominó energía de reposo : energía que todo cuerpo masivo debe poseer incluso estando en reposo. La cantidad de energía es directamente proporcional a la masa del cuerpo: [ 74 ]mi0=metro0do2,{\displaystyle E_{0}=m_{0}c^{2},} dónde

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. Los fotones no tienen masa en reposo, pero sí energía radiante, la cual exhibe la misma inercia que las dos partículas originales. Este es un proceso reversible —el proceso inverso se denomina creación de pares— en el que la masa en reposo de las partículas se crea a partir de un fotón suficientemente energético cerca de un núcleo. [ 75 ]

En la relatividad general, el tensor de energía-impulso sirve como término fuente para el campo gravitatorio, en una analogía aproximada con la forma en que la masa sirve como término fuente en la aproximación newtoniana no relativista. [ 76 ]

La energía y la masa son manifestaciones de una misma propiedad física subyacente de un sistema. Esta propiedad es responsable de la inercia y la fuerza de la interacción gravitatoria del sistema ("manifestaciones de masa"), [ 77 ] y también es responsable de la capacidad potencial del sistema para realizar trabajo o generar calor ("manifestaciones de energía"), sujeta a las limitaciones de otras leyes físicas.

En la física clásica , la energía es una magnitud escalar, el conjugado canónico del tiempo. En la relatividad especial, la energía también es un escalar (aunque no un escalar de Lorentz , sino un componente temporal del cuadrivector energía-momento ). [ 76 ] En otras palabras, la energía es invariante con respecto a las rotaciones del espacio , pero no invariante con respecto a las rotaciones del espaciotiempo (= transformaciones de Lorentz ).

Transformación

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

La energía puede transformarse entre diferentes formas con distintos grados de eficiencia . Los dispositivos que transforman útilmente la energía entre estas formas se denominan transductores . Ejemplos de transductores incluyen una batería (de energía química a energía eléctrica ), una presa (de energía potencial gravitatoria a energía cinética del agua que hace girar las palas de una turbina y, finalmente, a energía eléctrica mediante un generador eléctrico ) y una máquina térmica (de calor a trabajo). [ 78 ] [ 79 ]

Ejemplos de transformación de energía incluyen la generación de energía eléctrica a partir de energía térmica mediante una turbina de vapor, [ 79 ] o el levantamiento de un objeto contra la gravedad utilizando energía eléctrica que impulsa el motor de una grúa. El levantamiento contra la gravedad realiza trabajo mecánico sobre el objeto y almacena energía potencial gravitatoria en él. Si el objeto cae al suelo, la gravedad realiza trabajo mecánico sobre él, lo que transforma la energía potencial en el campo gravitatorio en energía cinética liberada como calor al impactar contra el suelo. [ 80 ] El Sol transforma la energía potencial nuclear en otras formas de energía; su masa total no disminuye debido a ello (ya que aún contiene la misma energía total aunque en diferentes formas), pero su masa sí disminuye cuando la energía escapa a su entorno, principalmente como energía radiante . [ 81 ]

Existen límites estrictos a la eficiencia con la que el calor puede convertirse 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 . [ 82 ] Sin embargo, algunas transformaciones de energía pueden ser bastante eficientes. [ 83 ] La dirección de las transformaciones de energía (qué tipo de energía se transforma en qué otro tipo) suele estar determinada por consideraciones de entropía (distribución uniforme de la energía entre todos los grados de libertad disponibles ). En la práctica, todas las transformaciones de energía están permitidas a una escala suficientemente pequeña, pero ciertas transformaciones mayores son altamente improbables porque es estadísticamente improbable que la energía o la materia se muevan aleatoriamente hacia formas más concentradas o espacios más pequeños. [ 84 ]

Las transformaciones de energía en el universo a lo largo del tiempo se caracterizan por la liberación de diversos tipos de energía potencial, disponible desde el Big Bang , que se transforma en energías más activas, como la cinética o la radiante, cuando se activa un mecanismo desencadenante. [ 85 ] Ejemplos conocidos de estos procesos incluyen la nucleosíntesis , un proceso que utiliza la energía potencial gravitatoria liberada por el colapso gravitatorio 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 su incorporación al Sistema Solar y a la Tierra. [ 86 ] 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 un tiempo muy corto. [ 87 ]

Otro ejemplo de transformación de energía es el de un péndulo gravitatorio simple . En sus puntos más altos, la energía cinética es cero y la energía potencial gravitatoria está en su máximo. En su punto más bajo, la energía cinética está en su máximo y es igual a la disminución de la energía potencial . Si uno (de forma poco realista) supone 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 se transfiere de la energía potencial (mipag{\displaystyle E_{p}}) a energía cinética (mik{\displaystyle E_{k}}) y luego de vuelta a la energía potencial constantemente. Esto se conoce como conservación de la energía.

En este sistema aislado , la energía no se crea ni se destruye; por lo tanto, la energía inicial y la energía final serán iguales. Esto se puede demostrar de la siguiente manera:

La ecuación se puede simplificar aún más ya quemipag=metrogramoh{\displaystyle E_{p}=mgh}(masa por aceleración debida a la gravedad por la altura) ymik=12metrov2{\textstyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}(mitad  de la masa por el cuadrado de la velocidad). Entonces, la cantidad total de energía se puede encontrar sumandomipag+mik=mitotal{\displaystyle E_{p}+E_{k}=E_{\text{total}}}. [ 88 ]

Conservación de la energía y la masa en la transformación

Dentro de un campo gravitatorio, tanto la masa como la energía generan un peso medible cuando se encuentran atrapadas en un sistema con momento cero. La fórmula E  = mc² , derivada por Albert Einstein (1905) , cuantifica esta equivalencia masa-energía entre la masa y la energía relativistas dentro del concepto de relatividad especial. En diferentes marcos teóricos, J.J. Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904) y otros derivaron fórmulas similares (véase Equivalencia masa-energía#Historia para más información). 

Parte de la energía en reposo (equivalente a la masa en reposo) de la materia puede convertirse en otras formas de energía (que aún exhiben masa), pero ni la energía ni la masa pueden destruirse; más bien, ambas permanecen constantes durante cualquier proceso. Sin embargo, dado quedo2{\displaystyle c^{2}}es extremadamente grande en relación con las escalas humanas ordinarias, la conversión de una cantidad cotidiana de masa en reposo de energía en reposo a otras formas de energía (como energía cinética, energía térmica o la energía radiante transportada por la luz y otras radiaciones) puede liberar enormes cantidades de energía, como se puede ver en los reactores nucleares y las armas nucleares. [ 89 ] Por ejemplo, 1  kg de masa en reposo equivale a9 × 10 16  julios , equivalente a 21,5 megatones de TNT. [ 90 ]

Por el contrario, la masa equivalente a una cantidad cotidiana de energía es minúscula. Ejemplos de transformaciones a gran escala entre la energía en reposo de la materia y otras formas de energía se encuentran en la física nuclear y la física de partículas . La conversión completa de materia, como los átomos, en no materia, como los fotones, ocurre durante la interacción con la antimateria . [ 91 ]

Transformaciones reversibles e irreversibles

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 (se dispersa) en estados de energía vacíos disponibles en un volumen, desde los cuales no puede recuperarse en formas más concentradas (menores estados cuánticos), sin una degradación aún mayor de la 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. [ 92 ]

A escala atómica, la energía térmica se presenta en forma de movimiento y vibraciones de átomos y moléculas individuales. Cuando se genera calor, la radiación excita estados de energía más bajos de estos átomos y sus campos circundantes. Este proceso de calentamiento actúa como un reservorio para parte de la energía aplicada, la cual no puede convertirse con una eficiencia del 100% en otras formas de energía. [ 93 ] Según la segunda ley de la termodinámica, este calor solo puede recuperarse completamente como energía utilizable a costa de un aumento en algún otro tipo de desorden similar al calor en los estados cuánticos.

A medida que el universo evoluciona con el tiempo, cada vez más de su energía queda atrapada en estados irreversibles (es decir, como calor o como otros tipos de aumentos en el desorden). Esto ha llevado a la hipótesis de la inevitable muerte térmica termodinámica del universo . En esta muerte térmica, la energía del universo no cambia, pero la fracción de energía disponible para realizar trabajo mediante una máquina térmica , o para transformarse en otras formas de energía utilizables (mediante el uso de generadores conectados a máquinas térmicas), continúa disminuyendo. [ 94 ]

Conservación de la energía

El hecho de que la energía no se cree ni se destruya se conoce como la ley de conservación de la energía . En forma de la primera ley de la termodinámica , esta establece que la energía de un sistema cerrado es constante a menos que se transfiera energía hacia dentro o hacia fuera en forma de trabajo o calor , y que no se pierde energía en la transferencia. El flujo total de energía que entra en un sistema debe ser igual al flujo total de energía que sale del sistema, más el cambio en la energía contenida en el 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. [ 95 ]

Si bien el calor siempre puede convertirse 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 en forma de 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 pueden transformarse en la dirección opuesta en energía térmica sin tales limitaciones. [ 96 ] La energía total de un sistema puede calcularse sumando todas las formas de energía en el sistema.

Richard Feynman dijo durante una conferencia en 1961: [ 97 ]

Existe un hecho, o si se prefiere, una ley , que rige todos los fenómenos naturales conocidos hasta la fecha. No se conoce ninguna excepción a esta ley; es exacta hasta donde sabemos. La ley se llama conservación de la energía . Establece que existe una cierta cantidad, que llamamos energía, que no cambia ante las múltiples transformaciones que experimenta la naturaleza. Esta es una idea muy abstracta, porque es un principio matemático; dice que hay una cantidad numérica que no cambia cuando algo sucede. No es la descripción de un mecanismo ni nada concreto; es simplemente un hecho curioso: podemos calcular un número y, cuando terminamos de observar los procesos naturales y volvemos a calcularlo, el resultado es el mismo.

La mayoría de los tipos de energía (con la energía gravitacional como notable excepción) [ 98 ] también están sujetos a estrictas leyes de conservación locales. En este caso, la energía solo puede intercambiarse entre regiones adyacentes del espacio, y todos los observadores coinciden en cuanto a la densidad volumétrica de energía en cualquier espacio dado. Existe además una ley global de conservación de la energía, que establece que la energía total del universo no puede cambiar; esto es un corolario de la ley local, pero no a la inversa. [ 96 ] [ 97 ]

Esta ley es un principio fundamental de la física. Como lo demuestra rigurosamente el teorema de Noether , la conservación de la energía es una consecuencia matemática de la simetría traslacional del tiempo, [ 99 ] una propiedad de la mayoría de los fenómenos por debajo de la escala cósmica que los hace independientes de su ubicación en la coordenada temporal. Dicho de otro modo, ayer, hoy y mañana son físicamente indistinguibles. Esto se debe a que la energía es la magnitud canónicamente conjugada al tiempo. Este entrelazamiento matemático de energía y tiempo también da lugar al principio de incertidumbre: es imposible definir la cantidad exacta de energía durante cualquier intervalo de tiempo determinado (aunque esto solo tiene relevancia práctica para intervalos de tiempo muy cortos). El principio de incertidumbre no debe confundirse con la conservación de la energía ; más bien, proporciona límites matemáticos dentro de los cuales la energía puede, en principio, definirse y medirse.

Cada una de las fuerzas básicas de la naturaleza está asociada a un tipo diferente de energía potencial, y todos los tipos de energía potencial (al igual que todos los demás tipos de energía) se manifiestan como masa del sistema , siempre que estén presentes. Por ejemplo, un resorte comprimido tendrá una masa ligeramente mayor que antes de ser comprimido. Del mismo modo, siempre que se transfiere energía entre sistemas mediante cualquier mecanismo, se transfiere una masa asociada. [ 100 ]

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

ΔmiΔt≥ℏ2{\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}}

que es similar en forma al Principio de Incertidumbre de Heisenberg , [ 101 ] pero no es realmente equivalente matemáticamente a él, ya que E y t no son variables dinámicamente conjugadas , ni en mecánica clásica ni en mecánica cuántica. [ 102 ]

En física de partículas , esta desigualdad permite una comprensión cualitativa de las partículas virtuales , que transportan momento . [ 102 ] El intercambio de partículas virtuales con partículas reales es responsable de la creación de todas las fuerzas fundamentales conocidas (más precisamente conocidas como interacciones fundamentales ). [ 103 ] : 101 Los fotones virtuales también son responsables de la interacción electrostática entre cargas eléctricas (que da lugar a la ley de Coulomb ), [ 103 ] : 336 de la desintegración radiativa espontánea de estados atómicos y nucleares excitados, de la fuerza de Casimir , [ 104 ] de la fuerza de Van der Waals , [ 105 ] y de algunos otros fenómenos observables. [ 106 ]

transferencia de energía

Sistemas cerrados

La transferencia de energía puede considerarse para el caso especial de sistemas cerrados a la transferencia de materia. La porción de energía que se transfiere mediante fuerzas conservativas a lo largo de una distancia se mide como el trabajo que el sistema fuente realiza sobre el sistema receptor. La porción de energía que no realiza trabajo durante la transferencia se denomina calor . [ nota 3 ] La energía puede transferirse entre sistemas de diversas maneras. Algunos ejemplos incluyen la transmisión de energía electromagnética mediante fotones, las colisiones físicas que transfieren energía cinética , [ nota 4 ] las interacciones de marea , [ 107 ] y la transferencia conductiva de energía térmica . [ 108 ]

La energía se conserva estrictamente y también se conserva localmente dondequiera que se pueda definir. En termodinámica, para sistemas cerrados, el proceso de transferencia de energía se describe mediante la primera ley : [ nota 5 ] [ 108 ]

dóndemi{\displaystyle E}es la cantidad de energía transferida,W{\displaystyle W} representa el trabajo realizado en o por el sistema, yQ{\displaystyle Q}representa el flujo de calor hacia dentro o hacia fuera del sistema. Como simplificación, el término de calor,Q{\displaystyle Q}, a veces se puede ignorar, 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 ,

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 mediante la inyección de una mezcla de aire y combustible en el motor de un automóvil, un sistema que gana energía por ello, sin adición de trabajo ni calor). Denotando esta energía pormiasunto{\displaystyle E_{\text{materia}}}, se puede escribir: [ 109 ]

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 relacionada con la energía potencial, por ejemplo, la estructura molecular, la estructura cristalina y otros aspectos geométricos, así como con 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 solo con la termodinámica. [ 110 ]

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 [ 111 ] 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 solo a fuerzas de presión y transferencia de calor (por ejemplo, un cilindro lleno de gas) sin cambios químicos, el cambio diferencial en la energía interna del sistema (con una ganancia de energía indicada por una cantidad positiva) viene dado por: [ 112 ]

dmi=TdS−PAGdV,{\displaystyle \mathrm {d} E=T\mathrm {d} SP\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 la que la entropía aumenta y su cambio d S es positivo cuando se agrega calor al sistema), y el último término del lado derecho se identifica como el trabajo realizado sobre el sistema, donde la presión es P y el volumen es 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 se realiza trabajo sobre el sistema).

Esta ecuación es muy específica, ignorando todas las fuerzas químicas, eléctricas, nucleares y gravitacionales, efectos como la advección de cualquier forma de energía que no sea calor y trabajo PV . La formulación general de la primera ley (es decir, la 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 de forma general mediante: [ 108 ]

dmi=δQ+δW{\displaystyle \mathrm {d} E=\delta Q+\delta W}

dóndeδQ{\displaystyle \delta Q}es el calor suministrado al sistema yδW{\displaystyle \delta W}es el trabajo aplicado al sistema.

Equipartición de la energía

La energía de un oscilador armónico mecánico (una masa unida a un resorte) es alternativamente energía cinética y potencial . En dos puntos del ciclo de oscilación es completamente cinética, y en otros dos, completamente potencial. [ 88 ] A lo largo de un ciclo completo, o de 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. [ 113 ]

Este principio es de vital importancia para comprender el comportamiento de una magnitud estrechamente relacionada con la energía, llamada entropía . La entropía es una medida de la uniformidad de la distribución de energía entre las partes de un sistema. Cuando a un sistema aislado se le otorgan más grados de libertad (es decir, se le otorgan nuevos estados de energía disponibles que son iguales a los estados existentes), la energía total se distribuye uniformemente 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 solo para sistemas que están cerca o en un estado de equilibrio físico . Para sistemas fuera del equilibrio, las leyes que rigen el comportamiento de los sistemas aún son objeto de debate. Uno de los principios rectores para estos sistemas es el principio de máxima producción de entropía . [ 114 ] [ 115 ] Este principio establece que los sistemas fuera del equilibrio se comportan de manera que maximicen su producción de entropía. [ 116 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Estos ejemplos son meramente ilustrativos, ya que no es la energía disponible para el trabajo lo que limita el rendimiento del atleta, sino la potencia generada (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: en este caso también, el orden está asociado con la transferencia de una gran cantidad de calor (conocida como energía reticular ) al entorno.
  3. ↑ Si bien el calor es energía "desperdiciada" para una transferencia de energía específica (véase: calor residual ), a menudo puede aprovecharse para realizar trabajo útil en interacciones posteriores. Sin embargo, la energía máxima que puede "reciclarse" a partir de estos 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 . En este caso, los signos siguen la convención de la IUPAC.

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    Por eso,
    • E = (9 × 10 16  J )/(4,184 × 10⁹ J  /t ) = 21,5 megatones
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