Energía

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En física, la energía es la propiedad cuantitativa que se transfiere a un cuerpo oa un sistema físico, reconocible en la realización de 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 puede convertirse en forma, pero no crearse ni destruirse. La unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades (SI) de energía es el joule, que es la energía transferida a un objeto por el trabajo de moverlo una distancia de un metro contra una fuerza de un newton.

Las formas comunes de energía incluyen la energía cinética de un objeto en movimiento, la energía potencial almacenada por la posición de un objeto en un campo de fuerza (gravitacional, eléctrico o magnético), la energía elástica almacenada al estirar objetos sólidos, la energía química liberada cuando se quema un combustible, la energía radiante transportada por la luz y la energía térmica debida a la temperatura de un objeto.

La masa y la energía están íntimamente relacionadas. Debido a la equivalencia masa-energía, cualquier objeto que tiene masa cuando está estacionario (llamada masa en reposo) también tiene una cantidad equivalente de energía cuya forma se denomina 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 al igual que aumenta su energía total. Por ejemplo, después de calentar un objeto, su aumento de energía podría en principio medirse como un pequeño aumento de masa, con una escala lo suficientemente sensible.

Los organismos vivos requieren energía para mantenerse con vida, como la energía que los humanos obtienen de los alimentos y el oxígeno. 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 del clima y el ecosistema de la Tierra son impulsados por la energía radiante que la Tierra recibe del Sol y la energía geotérmica contenida dentro de la tierra.

Formularios

La energía total de un sistema se puede subdividir y clasificar en energía potencial, energía cinética o combinaciones de las dos de varias maneras. La energía cinética está determinada por el movimiento de un objeto, o el movimiento compuesto de los componentes de un objeto, y la energía potencial refleja el potencial de un objeto para tener movimiento, y generalmente es una función de la posición de un objeto dentro de un campo o puede almacenarse en el propio campo.

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 de la fuerza nuclear o la fuerza débil, entre otros ejemplos.

tipo de energía	Descripción
Mecánico	la suma de las energías cinéticas y potenciales de traslación y rotación macroscópicas
Eléctrico	energía potencial debida o almacenada en campos eléctricos
Magnético	energía potencial debida o almacenada en campos magnéticos
Gravitacional	energía potencial debida o almacenada en campos gravitatorios
Químico	energía potencial debida a enlaces químicos
ionización	energía potencial que une un electrón a su átomo o molécula
Nuclear	energía potencial que une los nucleones para formar el núcleo atómico (y las reacciones nucleares)
cromodinámico	energía potencial que une los quarks para formar hadrones
Elástico	energía potencial debida a la deformación de un material (o su contenedor) que exhibe una fuerza restauradora a medida que vuelve a su forma original
onda mecanica	energía cinética y potencial en un material elástico debido a una onda deformación propagada
Onda de sonido	energía cinética y potencial en un fluido debido a una onda propagada por el sonido (una forma particular de onda mecánica)
Radiante	energía potencial almacenada en los campos de ondas propagadas por radiación electromagnética, incluida la luz
Descanso	energía potencial debida a la masa en reposo de un objeto
Térmico	energía cinética del movimiento microscópico de las partículas, una especie de equivalente desordenado de la energía mecánica

Historia

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

A fines 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 y 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 vis viva solo por un factor de dos. Escribiendo a principios del siglo XVIII, Émilie du Châtelet propuso el concepto de conservación de la energía en los márgenes de su traducción al francés de los Principia Mathematica de Newton., que representó la primera formulación de una cantidad medible conservada que era distinta del impulso, y que más tarde se llamaría "energía".

En 1807, Thomas Young fue posiblemente el primero en utilizar el término "energía" en lugar de vis viva, en su sentido moderno. 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 calórico, 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 desarrollos condujeron a la teoría de la conservación de la energía, formalizada en gran parte por William Thomson (Lord Kelvin) como el campo de la termodinámica. La termodinámica ayudó al rápido desarrollo de las 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 del hecho de que las leyes de la física no cambian con el tiempo. Así, desde 1918, los teóricos han entendido que la ley de conservación de la energía es la consecuencia matemática directa de la simetría traslacional de la cantidad conjugada con la energía, a saber, el tiempo.

Unidades de medida

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, atado a una cuerda, provocaba la rotación de una paleta sumergida en agua, prácticamente aislada de la transferencia de calor. Mostró que la energía potencial gravitacional perdida por el peso al descender era igual a la energía interna ganada por el agua a través de la fricción con la paleta.

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de energía es el joule, 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 imperial y estadounidense es la libra-pie. Otras unidades de energía como el electrónvoltio, la caloría alimentaria o la kcal termodinámica (basada en el cambio de temperatura del agua en un proceso de calentamiento) y 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, ya que es una cantidad conservada. Se han desarrollado varias formulaciones de la mecánica utilizando la energía como concepto central.

El trabajo, una función de la energía, es fuerza por distancia. $W=int _{C}mathbf {F} cdot mathrm {d} mathbf {s}$

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

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

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 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; 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 lo tanto, los productos de una reacción tienen a veces más, pero por lo general 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 las reacciones endotérmicas, la situación es la inversa. Las reacciones químicas generalmente no son posibles a menos que los reactivos superen una barrera de energía conocida como energía de activación. Élla velocidad de una reacción química (a una temperatura dada T) está relacionada con la energía de activación E por el factor de población de Boltzmann e; es decir, la probabilidad de que una molécula tenga 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.

Biología

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 o un orgánulo de un organismo biológico. La energía utilizada en la respiración se almacena principalmente en oxígeno molecular y puede desbloquearse mediante reacciones con moléculas de sustancias como carbohidratos (incluidos los azúcares), lípidos y proteínas almacenadas en 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) 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 sólo 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 ser humano en forma puede generar unos 1.000 vatios. Para una actividad que debe mantenerse durante una hora, la producción cae a alrededor de 300; para una actividad mantenida todo el día, 150 vatios es aproximadamente el máximo.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.

Las plantas también capturan la energía radiante de la luz solar 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 compuestos de alta energía como el oxígeno y el ATP. Los carbohidratos, los lípidos y las proteínas pueden liberar la energía del oxígeno, que los organismos vivos utilizan como aceptor de electrones. La liberación de la energía almacenada durante la fotosíntesis como 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 es desencadenado por la acción enzimática.

Todos los seres vivos dependen de una fuente externa de energía para poder 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. Las 1500–2000 Calorías diarias (6–8 MJ) recomendadas para un adulto humano se toman como una combinación de oxígeno y moléculas de alimentos, estas últimas principalmente carbohidratos y grasas, de las cuales glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆) y 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.

6CO2 + 6H2O}}}">

57CO2 + 55H2O}}}">y parte de la energía se utiliza para convertir ADP en ATP:ADP + HPO

₄ → ATP + H

₂ O

El resto de la energía química del O ₂ y el carbohidrato o la grasa se convierten en calor: el ATP se usa como una especie de "moneda energética", y parte de la energía química que contiene se usa para otros metabolismos cuando el ATP reacciona con el 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). Solo una pequeña fracción de la energía química original se utiliza para el trabajo:ganancia de energía cinética de un velocista durante una carrera de 100 m: 4 kJganancia en energía potencial gravitacional de un peso de 150 kg levantado a través de 2 metros: 3 kJIngesta diaria de alimentos de un adulto normal: 6–8 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 manejan eficiencias más altas. 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 a partir de las cuales se construye. La segunda ley de la termodinámica establece que la energía (y la materia) tiende a distribuirse más uniformemente por todo el universo: para concentrar energía (o materia) en un lugar específico, es necesario distribuir una mayor cantidad de energía (como calor) en el resto del universo ("los alrededores").Los organismos más simples pueden lograr eficiencias energéticas más altas 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, por poner sólo el primer paso de la cadena alimentaria: de las 124,7 Pg/a estimadas de carbono que se fijan mediante la fotosíntesis, 64,3 Pg/a (52%) se utilizan para el metabolismo de las plantas verdes, es decir, se reconvierten 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 de energía en el interior de la Tierra, mientras que los fenómenos meteorológicos como el viento, la lluvia, el granizo, la nieve, los rayos, los tornados y los huracanes son el resultado. de las transformaciones de energía en nuestra atmósfera provocadas por la energía solar.

La luz del sol es la entrada principal al balance energético de la Tierra, lo que explica su temperatura y estabilidad climática. La luz del sol puede almacenarse como energía potencial gravitatoria después de que golpea la Tierra, como (por ejemplo, cuando) el agua se evapora de los océanos y se deposita sobre 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 los generados por eventos volcánicos, por ejemplo. Un ejemplo de un evento meteorológico mediado por la energía solar es un huracán, que ocurre cuando grandes áreas 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 descomposición 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 levantamiento lento representa una especie de almacenamiento de energía potencial gravitacional de la energía térmica, que luego puede transformarse en energía cinética activa durante los deslizamientos, después de un evento desencadenante. Los terremotos también liberan energía potencial elástica almacenada en las rocas, una reserva que se ha producido en última instancia a partir de las mismas fuentes de calor radiactivas. Por lo tanto, de acuerdo con la comprensión actual, eventos familiares como deslizamientos de tierra y terremotos liberan energía que ha sido almacenada como energía potencial en el campo gravitacional de la Tierra o tensión elástica (energía potencial mecánica) en las rocas. Anterior a eso,

Cosmología

En cosmología y astronomía, los fenómenos de las estrellas, las novas, las supernovas, los cuásares y los estallidos de rayos gamma son las transformaciones de materia de energía de mayor producción del universo. Todos los fenómenos estelares (incluida la actividad solar) están impulsados por varios tipos de transformaciones de energía. 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 de 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 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 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 producen estrellas, y parte de la energía de fusión se transforma en luz solar.

Mecánica cuántica

En mecánica cuántica, la energía se define en términos del operador de energía (Hamiltoniano) como una derivada temporal de la función de onda. La ecuación de Schrödinger iguala el operador de energía a la energía total de una partícula o un sistema. Sus resultados pueden considerarse como una definición de medida de energía en la mecánica cuántica. La ecuación de Schrödinger describe la dependencia del espacio y el tiempo de una función de onda de los sistemas cuánticos que cambia lentamente (no relativista). La solución de esta ecuación para un sistema acotado 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 por la relación de Planck: $E=hnu$ (donde $h$ es la constante de Planck y $no$ la frecuencia). En el caso de una onda electromagnética, estos estados de energía se denominan cuantos de luz o fotones.

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 de 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:

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

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

Por ejemplo, considere la aniquilación electrón-positrón, en la que la energía restante 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, no obstante, tienen 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 gravitatorio, en una analogía aproximada con la forma en que la masa sirve como término fuente en la aproximación newtoniana no relativista.

La energía y la masa son manifestaciones de una y 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 la física clásica, la energía es una cantidad escalar, el conjugado canónico del tiempo. En la relatividad especial, la energía también es un escalar (aunque no es un escalar de Lorentz sino un componente de tiempo del 4-vector energía-momento). 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

Tipo de proceso de transferencia	Descripción
Calor	igual cantidad de energía térmica en tránsito espontáneamente hacia un objeto de menor temperatura
Trabaja	igual cantidad de energía en tránsito debido a un desplazamiento en la dirección de una fuerza aplicada
Transferencia de materiales	igual cantidad de energía transportada por la materia que se mueve de un sistema a otro

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

Los ejemplos de transformación de energía incluyen la generación de 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 acciona un motor de grúa. Levantar contra la gravedad realiza un trabajo mecánico sobre el objeto y almacena energía potencial gravitatoria en el objeto. Si el objeto cae al suelo, la gravedad realiza un trabajo mecánico sobre el objeto que transforma la energía potencial del campo gravitatorio en energía cinética liberada como calor al impactar contra el suelo. Nuestro 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 disminuye cuando la energía escapa a su entorno, en gran parte como energía radiante.

Hay límites estrictos a la eficiencia con la que el calor se puede convertir en trabajo en un proceso cíclico, por ejemplo, en una máquina térmica, como se describe en el teorema de Carnot y la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, algunas transformaciones de energía pueden ser bastante eficientes. La dirección de las transformaciones en la energía (qué tipo de energía se transforma en qué otro tipo) a menudo está determinada por consideraciones de entropía (la misma 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 energía cinética o radiante) cuando se dispone de un mecanismo desencadenante.. Ejemplos familiares de tales procesos incluyen la nucleosíntesis, un proceso que utiliza en última instancia la energía potencial gravitacional 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 que se incorporaran al sistema solar ya la Tierra. Esta energía se activa y libera en bombas de fisión nuclear o en la generación de energía nuclear civil. Similarmente,

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 uno (poco realista) asume que no hay fricción u otras pérdidas, la conversión de energía entre estos procesos sería perfecta y el péndulo continuaría oscilando para siempre.

La energía también se transfiere de la energía potencial ( $E_{p}$ ) a energía cinética ( $E_{k}$ ) 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 entre sí. Esto se puede demostrar con lo siguiente:

{ estilo de visualización E_ {pi}+E_ {ki} = E_ {pF}+E_ {kF}}

La ecuación se puede simplificar aún más ya que $E_{p}=mgh$ (masa multiplicada por la aceleración de la gravedad multiplicada por la altura) y{ estilo de texto E_ {k} = { frac {1} {2}} mv ^ {2}} ${ estilo de texto E_ {k} = { frac {1} {2}} mv ^ {2}}$ (la mitad de la masa por la velocidad al cuadrado). Entonces la cantidad total de energía se puede encontrar sumando ${displaystyle E_{p}+E_{k}=E_{text{total}}}$ .

Conservación de la energía y la masa en la transformación.

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

Parte del resto de la energía (equivalente a la masa en reposo) de la materia puede convertirse en otras formas de energía (aún exhibiendo masa), pero ni la energía ni la masa pueden destruirse; más bien, ambos permanecen constantes durante cualquier proceso. Sin embargo, desde $c^{2}$ 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 energía cinética, energía térmica o la energía radiante transportada por la luz y otra radiación) puede liberar enormes cantidades de energía (~ $9veces 10^{16}$ julios = 21 megatones de TNT), como se puede ver en los reactores nucleares y las armas nucleares. Por el contrario, el equivalente en masa de una cantidad diaria de energía es minúsculo, por lo que la pérdida de energía (pérdida de masa) de la mayoría de los sistemas es difícil de medir en una balanza, 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). A menudo, sin embargo, la conversión completa de materia (como los átomos) en no materia (como los fotones) está prohibida por las leyes de conservación.

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 (esparce) en estados de energía vacíos disponibles en un volumen, del cual no se puede recuperar en formas más concentradas (menos estados cuánticos), sin degradación de aún más energía. Un proceso reversible es aquel en el que no ocurre este tipo de disipación. 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, estados cuánticos de menor energía, presentes como posibles excitaciones en campos entre átomos, actúan como reservorio de parte de la energía, de la cual no se puede recuperar, para convertirla con 100% de eficiencia en otra. formas de energia.

A medida que el universo evoluciona con el tiempo, más y más de su energía queda atrapada en estados irreversibles (es decir, como calor o como otros tipos de incrementos en el desorden). Esto ha llevado a la hipótesis de la inevitable muerte térmica termodinámica del universo. En esta muerte por calor, la energía del universo no cambia, sino la fracción de energía que está disponible para hacer trabajo a través de un motor térmico, o transformarse 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 cree ni se destruya se denomina ley de conservación de la energía. En la forma de la primera ley de la termodinámica, esta establece que la energía de un sistema cerrado es constante a menos que la energía se transfiera como trabajo o calor, y que no se pierda energía en la transferencia. La entrada total de energía en 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.

Si bien el calor siempre se puede convertir completamente en trabajo en una expansión isotérmica reversible de un gas ideal, para procesos cíclicos de interés práctico en motores térmicos, 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 un trabajo en un proceso cíclico, un límite llamado energía disponible. La energía mecánica y otras formas pueden transformarse en la otra dirección en energía térmica sin tales limitaciones. La energía total de un sistema se puede calcular sumando todas las formas de energía en el sistema.

Richard Feynman dijo durante una conferencia de 1961:

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 la conservación de la energía. Afirma que hay una cierta cantidad, que llamamos energía, que no cambia en los múltiples cambios que sufre la naturaleza. Esa es una idea muy abstracta, porque es un principio matemático; dice que hay una cantidad numérica que no cambia cuando algo sucede. No es una descripción de un mecanismo, ni nada concreto; es solo un hecho extraño que podamos calcular algún número y cuando terminamos de ver a la naturaleza pasar por sus trucos y calcular el número nuevamente, es lo mismo.— Las conferencias de Feynman sobre física

La mayoría de los tipos de energía (siendo la energía gravitatoria una notable excepción) también están sujetos a estrictas leyes locales de conservación. En este caso, la energía solo 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; esto es un corolario de la ley local, pero no viceversa.

Esta ley es un principio fundamental de la física. Como muestra rigurosamente el teorema de Noether, la conservación de la energía es una consecuencia matemática de la simetría traslacional del tiempo,una propiedad de la mayoría de los fenómenos por debajo de la escala cósmica que los hace independientes de sus ubicaciones en la coordenada de tiempo. Dicho de otra manera, ayer, hoy y mañana son físicamente indistinguibles. Esto se debe a que la energía es la cantidad canónica 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 solo para intervalos de tiempo muy cortos). El principio de incertidumbre no debe confundirse con la conservación de la energía, sino que proporciona límites matemáticos en los que, 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 tendrá un poco más de masa que antes de comprimirse. Asimismo, cada vez que se transfiere energía entre sistemas por cualquier mecanismo, se transfiere con ella 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 $Delta E Delta t geq { frac { hbar} {2}}$

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

En física de partículas, esta desigualdad permite una comprensión cualitativa de las partículas virtuales, que llevan momento. 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 las cargas eléctricas (que da como resultado la ley de Coulomb), de la descomposición radiativa espontánea de los 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 se puede considerar para el caso especial de sistemas que están cerrados a las transferencias de materia. La porción de la energía que es transferida por 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 la energía que no realiza trabajo durante la transferencia se llama calor. La energía se puede transferir entre sistemas de varias maneras. Los ejemplos incluyen la transmisión de energía electromagnética a través de fotones, colisiones físicas que transfieren energía cinética y la transferencia conductiva de energía térmica.

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:

donde $mi$ es la cantidad de energía transferida, $W$ representa el trabajo realizado sobre o por el sistema, y $q$ representa el flujo de calor dentro o fuera del sistema. Como simplificación, el término calor, $q$ , a veces puede ignorarse, 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 lo tanto, sin adición de trabajo). o calor). Denotando esta energía por ${displaystyle E_{text{asunto}}}$ , se puede escribir

{displaystyle Delta E=W+Q+E_{text{asunto}}.}

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 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.

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 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 de la primera ley comúnmente utilizado es que, para un sistema sujeto únicamente 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 $mathrm {d} E=Tmathrm {d} SPmathrm {d} V,$ ,

donde el primer término de la derecha es el calor transferido al sistema, expresado en términos de temperatura T y entropía S (donde 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 en 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 un trabajo sobre él y, por lo tanto, el cambio de volumen, d V, es negativo cuando el trabajo se hace en el sistema).

Esta ecuación es muy específica e ignora todas las fuerzas químicas, eléctricas, nucleares y gravitatorias, efectos como la advección de cualquier forma de energía que no sea calor y trabajo fotovoltaico. 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 de energía interna de un sistema cerrado se expresa en forma general por $mathrm {d} E=delta Q+delta W$

donde $delta Q$ es el calor suministrado al sistema y $delta W$ es el trabajo aplicado al sistema.

Equiparcion de energia

La energía de un oscilador armónico mecánico (una masa en 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 por igual 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 la uniformidad de una 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 los mismos que 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 es 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 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.Establece que los sistemas que no están en equilibrio se comportan de tal manera que maximizan su producción de entropía.

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