Energía
Definición
| Energía | |
|---|---|
 El Sol es la fuente de energía para la mayor parte de la vida en la Tierra. Como una estrella, el Sol se calienta a altas temperaturas mediante la conversión de energydue vinculante nuclear a la fusión de hidrógeno en su núcleo. Esta energía finalmente se transfiere (libera) al espacio principalmente en forma de energía radiante (luz). | |
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 estirando objetos sólidos, la energía química liberada cuando un combustible se quema , la energía radiante transportada por la luz y la energía térmica debida a la temperatura de un objeto.
La masa y la energía están estrechamente relacionadas. Debido a la equivalencia de masa-energía, cualquier objeto que tenga masa cuando está parado (llamada masa en reposo) también tiene una cantidad equivalente de energía cuya forma se denomina energía en reposo (en ese marco de referencia) y cualquier energía adicional (de cualquier forma) adquirida por el objeto anterior, la 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 medirse como un pequeño aumento en la masa, con una escala lo suficientemente sensible.
Los organismos vivos requieren energía disponible para mantenerse con vida, como la energía que los humanos obtienen de los alimentos. La civilización humana requiere energía para funcionar, que obtiene de recursos energéticos como combustibles fósiles, combustible nuclear o energía renovable. Los procesos del clima y el ecosistema de la Tierra son impulsados por la energía radiante que recibe la Tierra del sol y la energía geotérmica contenida en la tierra.
Formularios
La energía total de un sistema se puede subdividir y clasificar en energía potencial, energía cinética o combinaciones de los dos de varias maneras. La energía cinética está determinada por el movimiento de un objeto -o el movimiento compuesto de las 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 campo mismo.
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 energía mecánica macroscópica es la suma de la cinética de traslación y de rotación y la energía potencial en un sistema desatiende la energía cinética debida a la temperatura y la energía nuclear que combina utiliza potenciales de la fuerza nuclear y la débil), entre otros.
| Tipo de energía | Descripción |
|---|---|
| Mecánico | la suma de las energías cinéticas y potenciales macroscópicas de traslación y rotación |
| Eléctrico | energía potencial debida o almacenada en campos eléctricos |
| Magnético | energía potencial debido ao almacenada en campos magnéticos |
| Gravitacional | energía potencial debido ao almacenada en campos gravitacionales |
| Químico | energía potencial debido a enlaces químicos |
| Ionización | energía potencial que une un electrón a su átomo o molécula |
| Nuclear | energía potencial que une nucleones para formar el núcleo atómico (y reacciones nucleares) |
| Chromodynamic | energía potencial que une quarks para formar hadrones |
| Elástico | energía potencial debido a la deformación de un material (o su contenedor) que exhibe una fuerza restauradora |
| Onda mecánica | energía cinética y potencial en un material elástico debido a una onda de deformación propagada |
| Onda de sonido | energía cinética y potencial en un fluido debido a una onda propagada por sonido (una forma particular de onda mecánica) |
| Radiante | energía potencial almacenada en los campos de propagación por radiación electromagnética, incluida la luz |
| Descanso | energía potencial debido a la masa de descanso de un objeto |
| Térmico | energía cinética del movimiento microscópico de partículas, una forma de equivalente desordenado de energía mecánica |
Historia
La palabra energía deriva del griego antiguo: ἐνέργεια , translit. 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 la felicidad y el 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; él creía que el total de vis viva se conservaba. Para explicar la desaceleración debido a la fricción, Leibniz teorizó que la energía térmica consistía en el movimiento aleatorio de las partes constituyentes de la materia, aunque pasaría más de un siglo hasta que esto se aceptara en general. El análogo moderno de esta propiedad, energía cinética, difiere de vis viva solo por un factor de dos.
En 1807, Thomas Young fue posiblemente el primero en usar 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. Se argumentó durante algunos años si el calor era una sustancia física, denominada el 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 llevaron 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 Rudolf Clausius, Josiah Willard Gibbs y Walther Nernst. También condujo a una formulación matemática del concepto de entropía de Clausius y a la introducción de leyes de energía radiante por Jožef Stefan. De acuerdo con el teorema de Noether, la conservación de la energía es una 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, es decir, 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 Joule": un peso descendente, unido a una cuerda, provocó la rotación de una paleta sumergida en agua, prácticamente aislada de la transferencia de calor. Demostró que la energía potencial gravitacional perdida por el peso al descender era igual a la energía interna ganada por el agua a través de la fricción con la paleta.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de energía es el joule, que lleva el nombre de James Prescott Joule. Es una unidad derivada. Es igual a la energía gastada (o el trabajo realizado) al aplicar una fuerza de un Newton a una distancia de un metro. Sin embargo, la energía también se expresa en muchas otras unidades que no forman parte de la IS, como ergios, calorías, unidades térmicas británicas, kilovatios-hora y kilocalorías, que requieren un factor de conversión cuando se expresan en unidades SI.
La unidad de tasa de energía SI (energía por unidad de tiempo) es el vatio, que es un joule por segundo. Por lo tanto, un joule es un vatio-segundo, y 3600 joules equivalen a un vatio-hora. La unidad de energía CGS es el erg y la unidad consuetudinaria imperial y estadounidense es la libra de pie. Otras unidades de energía como el electrovoltio, la caloría alimentaria o la kcal termodinámica (basada en el cambio de temperatura del agua en un proceso de calentamiento) y BTU se usan 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 mecánica usando la energía como concepto central.
El trabajo, una función de energía, es fuerza por distancia.
Esto dice que el trabajo ( ) es igual a la integral de línea de la fuerza F a lo largo de una trayectoria C ; para más detalles ver el artículo de trabajo mecánico. El trabajo y, por lo tanto, la energía dependen del marco. Por ejemplo, considere una bola golpeada por un bate. En el marco de referencia del centro de masa, el murciélago no funciona en la pelota. Pero, en el marco de referencia de la persona que balancea el bate, se realiza un trabajo considerable en la pelota.
La energía total de un sistema a veces se llama hamiltoniano, después de William Rowan Hamilton. Las ecuaciones de movimiento clásicas pueden escribirse en términos del hamiltoniano, incluso para sistemas muy complejos o abstractos. Estas ecuaciones clásicas tienen análogos notablemente directos en la mecánica cuántica no relativista.
Otro concepto relacionado con la energía se llama Lagrangian, después de Joseph-Louis Lagrange. Este formalismo es tan fundamental como el hamiltoniano, y ambos pueden usarse para derivar las ecuaciones de movimiento o derivarse de ellos. 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 los sistemas no conservadores (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 el cálculo de variaciones. Una generalización de las formulaciones seminales sobre las constantes del movimiento en la mecánica lagrangiana y hamiltoniana (1788 y 1833, respectivamente), no se aplica a los 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. Como una transformación química va acompañada de un cambio en uno o más de estos tipos de estructura, invariablemente va acompañada de un aumento o disminución de la energía de las sustancias involucradas. Parte de la energía se transfiere entre el entorno y los reactivos de la reacción en forma de calor o luz; por lo tanto, los productos de una reacción pueden tener más o menos energía que los reactivos. Se dice que una reacción es exergónica si el estado final es más bajo en la escala de energía que el estado inicial; en el caso de reacciones endergónicas, la situación es inversa. Las reacciones químicas son invariablemente imposibles a menos que los reactivos superen una barrera de energía conocida como la energía de activación. los velocidad de una reacción química (a temperatura dada T ) está relacionada con la energía de activación E , por el factor de la población del Boltzmann e - que es la probabilidad de la molécula de tener una energía mayor que o igual a E a la temperatura dada T . Esta dependencia exponencial de una velocidad de reacción sobre la temperatura se conoce como la ecuación de Arrhenius. La energía de activación necesaria para una reacción química puede ser 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. Por lo tanto, a menudo se dice que la energía es almacenada por las células en las estructuras de las moléculas de sustancias como los carbohidratos (incluidos los azúcares), los lípidos y las proteínas, que liberan energía cuando reaccionan con oxígeno en la respiración. 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, suponiendo un gasto energético humano promedio de 12.500 kJ por día y un metabolismo basal velocidad de 80 vatios. Por ejemplo, si nuestros cuerpos corren (en promedio) a 80 vatios, entonces una bombilla funcionando a 100 vatios está funcionando 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 emitir miles de vatios, muchas veces los 746 vatios en una potencia oficial. Para tareas que duran unos minutos, un humano apto puede generar tal vez 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 mediante la expresión de unidades de energía en términos humanos: proporciona una "sensación" para el uso de una determinada cantidad de energía. Para tareas que duran unos minutos, un humano apto puede generar tal vez 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 mediante la expresión de unidades de energía en términos humanos: proporciona una "sensación" para el uso de una determinada cantidad de energía. Para tareas que duran unos minutos, un humano apto puede generar tal vez 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 mediante la expresión de unidades de energía en términos humanos: proporciona una "sensación" para el uso de una determinada cantidad de energía.
La energía radiante de la luz solar también 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 y proteínas de compuestos de alta energía. Las plantas también liberan oxígeno durante la fotosíntesis, que los organismos vivos utilizan como un aceptor de electrones, para liberar la energía de los carbohidratos, los lípidos y las proteínas. 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 estas moléculas son ingeridas, y el catabolismo es desencadenado por la enzima acción.
Cualquier organismo vivo depende de una fuente externa de energía (energía radiante del Sol en el caso de las plantas verdes, energía química en alguna forma en el caso de los animales) para poder crecer y reproducirse. Las 1500-2000 calorías diarias (6-8 MJ) recomendadas para un adulto humano se toman como una combinación de oxígeno y moléculas de alimentos, estos últimos en su mayoría carbohidratos y grasas, de los 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 la mitocondria
-
- C 57 H 110 O 6 + 81.5O 2 → 57CO 2 + 55 H 2 O
y parte de la energía se usa para convertir ADP en ATP.
-
- ADP + HPO 4 → ATP + H 2 O
El resto de la energía química en O 2 y el carbohidrato o grasa se convierte en calor: el ATP se usa como una especie de "moneda de energía", y parte de la energía química que contiene se usa para otro metabolismo cuando el ATP reacciona con OH grupos y finalmente se divide en ADP y fosfato (en cada etapa de una ruta metabólica, parte de la energía química se convierte en calor). Solo una pequeña fracción de la energía química original se usa para trabajar:
- ganancia en energía cinética de un velocista durante una carrera de 100 m: 4 kJ
- ganancia en energía potencial gravitacional de un peso de 150 kg levantado a través de 2 metros: 3 kJ
- Ingesta diaria de comida de un adulto normal: 6-8 MJ
Parece que los organismos vivos son notablemente ineficientes (en el sentido físico) en el uso de la energía que reciben (energía química o radiante), y es cierto que la mayoría de las máquinas reales logran mayores eficiencias. En los organismos en crecimiento, la energía que se convierte en calor cumple 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 en todo el universo: para concentrar energía (o materia) en un lugar específico, es necesario distribuir una mayor cantidad de energía (como calor) a través del resto del universo ("el entorno"). Los organismos más simples pueden lograr mayores eficiencias energéticas que los más complejos, pero los organismos complejos pueden ocupar nichos ecológicos que no están disponibles para sus hermanos más simples. La conversión de una parte de la energía química en calor en cada paso de una vía metabólica es la razón física detrás de la pirámide de biomasa observada en la ecología: para dar el primer paso en la cadena alimentaria, de los 124,7 pg / a de el carbono que se fija 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, deriva continental, sierras, volcanes y 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 relámpagos, los tornados y los huracanes son resultado de las transformaciones de energía producidas por la energía solar en la atmósfera del planeta Tierra.
La luz solar puede almacenarse como energía potencial gravitacional después de que golpea la Tierra, ya que (por ejemplo) el agua se evapora de los océanos y se deposita en las montañas (donde, después de ser liberada en una represa hidroeléctrica, puede usarse para impulsar turbinas o generadores para producir electricidad). La luz del sol también impulsa muchos fenómenos meteorológicos, salvo los generados por eventos volcánicos. 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 parte de su energía térmica repentinamente al poder durante unos días de violento movimiento de aire.
En un proceso más lento, la desintegración radiactiva de los átomos en el núcleo de la Tierra libera calor. Esta energía térmica impulsa la tectónica de placas y puede elevar montañas mediante la orogenia. Este levantamiento lento representa un tipo de almacenamiento de energía potencial gravitacional de la energía térmica, que luego puede liberarse a energía cinética activa en deslizamientos de tierra, después de un evento desencadenante. Los terremotos también liberan energía potencial elástica almacenada en las rocas, una tienda que se ha producido en última instancia a partir de las mismas fuentes de calor radiactivo. Por lo tanto, de acuerdo con la comprensión actual, los eventos familiares como los deslizamientos de tierra y los terremotos liberan energía que se ha almacenado como energía potencial en el campo gravitacional de la Tierra o deformación 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 energía de mayor salida del universo en la materia. Todos los fenómenos estelares (incluida la actividad solar) son impulsados por varios tipos de transformaciones de energía. La energía en tales transformaciones es desde el colapso gravitacional de la materia (generalmente hidrógeno molecular) en varias clases de objetos astronómicos (estrellas, agujeros negros, etc.), o desde 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 con elementos más pesados. Esto significaba que el hidrógeno representa una reserva de energía potencial que puede liberarse por fusión. Tal proceso de fusión se desencadena por el calor y la presión generados por el colapso gravitacional de las nubes de hidrógeno cuando producen estrellas, y parte de la energía de fusión se transforma luego en luz solar.
Mecánica cuántica
En mecánica cuántica, la energía se define en términos del operador de energía como una derivada de tiempo de la función de onda. La ecuación de Schrödinger equivale al operador de energía a la energía completa de una partícula o sistema. Sus resultados se pueden considerar como una definición de medición de energía en mecánica cuántica. La ecuación de Schrödinger describe la dependencia del espacio y el tiempo de una función de onda que cambia lentamente (no relativista) de los sistemas cuánticos. La solución de esta ecuación para un sistema vinculado es discreta (un conjunto de estados permitidos, cada uno caracterizado por un nivel de energía) 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: (donde es la constante de Planck y la frecuencia). En el caso de una onda electromagnética, estos estados de energía se llaman cuantos de luz o fotones.
Relatividad
Al calcular la energía cinética (trabajar para acelerar un cuerpo masivo desde velocidad cero hasta cierta velocidad finita) relativísticamente usando transformaciones de Lorentz en lugar de mecánica newtoniana, Einstein descubrió un subproducto inesperado de estos cálculos como un término de energía que no desaparece en cero. velocidad. Él lo 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:
- ,
dónde
- m es la masa del cuerpo,
- c es la velocidad de la luz en el vacío,
- es el resto de la energía
Por ejemplo, considere 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 cambian a 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 tienen energía radiante que muestra la misma inercia que las dos partículas originales. Este es un proceso reversible: el proceso inverso se llama creación de pares, en el cual la masa restante de partículas se crea a partir de la energía radiante de dos (o más) fotones aniquiladores.
En relatividad general, el tensor de energía de tensión sirve como el término fuente para el campo gravitacional, en una analogía aproximada a la forma en que la masa sirve como el 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 masivas") y también es responsable de la capacidad potencial del sistema para realizar trabajo o calefacción ("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 escalar (aunque no es un escalar de Lorentz, sino un componente del tiempo del vector de energía-momento 4). 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 | esa cantidad de energía térmica en tránsito espontáneamente hacia un objeto de menor temperatura |
| Trabajo | esa cantidad de energía en tránsito debido a un desplazamiento en la dirección de una fuerza aplicada |
| Transferencia de material | esa 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 llaman transductores. Los ejemplos de transductores incluyen una batería, desde energía química hasta energía eléctrica; una presa: energía potencial gravitacional para la energía cinética del agua en movimiento (y las palas de una turbina) y en última instancia a la energía eléctrica a través de un generador eléctrico; o un motor térmico, del calor al trabajo.
Los ejemplos de transformación de energía incluyen generar energía eléctrica a partir de energía térmica a través de una turbina de vapor, o levantar un objeto contra la gravedad usando energía eléctrica que acciona un motor de grúa. La elevación contra la gravedad realiza un trabajo mecánico en el objeto y almacena energía potencial gravitacional en el objeto. Si el objeto cae al suelo, la gravedad hace un trabajo mecánico en el objeto que transforma la energía potencial en el campo gravitacional en energía cinética liberada como calor en el impacto con el suelo. Nuestro Sol transforma la energía potencial nuclear a otras formas de energía; su masa total no disminuye debido a eso en sí mismo (ya que todavía contiene la misma energía total incluso en formas diferentes), pero su masa disminuye cuando la energía escapa a su entorno, principalmente como energía radiante.
Existen límites estrictos a la eficiencia con la que el calor se puede convertir en trabajo en un proceso cíclico, por ejemplo, en un motor térmico, según lo descrito por 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 energía (qué tipo de energía se transforma en qué otro tipo) a menudo está determinada por consideraciones de entropía (igual dispersión de energía entre todos los grados disponibles de libertad). En la práctica, todas las transformaciones de energía están permitidas en 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 han estado disponibles desde que el Big Bang fue "liberado" (transformado a tipos de energía más activos como la energía cinética o radiante) cuando hay un mecanismo desencadenante disponible. Ejemplos familiares de tales procesos incluyen la descomposición nuclear, en la que se libera energía que originalmente se "almacenó" en isótopos pesados (como el uranio y el torio) por nucleosíntesis, un proceso que utiliza finalmente la energía potencial gravitatoria liberada del colapso gravitacional de las supernovas. para almacenar energía en la creación de estos elementos pesados antes de que fueran incorporados en el sistema solar y la Tierra. Esta energía se activa y se libera en bombas de fisión nuclear o en la generación de energía nuclear civil. Similar, en el caso de una explosión química, la energía potencial química se transforma en energía cinética y energía térmica en muy poco tiempo. Otro ejemplo más es el de un péndulo. En sus puntos más altos, la energía cinética es cero y la energía potencial gravitacional es máxima. En su punto más bajo, la energía cinética está al máximo y es igual a la disminución de la energía potencial. Si uno (irrealmente) supone que no hay fricción u otras pérdidas, la conversión de energía entre estos procesos sería perfecta, y el péndulo continuaría oscilando para siempre. En su punto más bajo, la energía cinética está al máximo y es igual a la disminución de la energía potencial. Si uno (irrealmente) supone que no hay fricción u otras pérdidas, la conversión de energía entre estos procesos sería perfecta, y el péndulo continuaría oscilando para siempre. En su punto más bajo, la energía cinética está al máximo y es igual a la disminución de la energía potencial. Si uno (irrealmente) supone 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 ( ) a la energía cinética ( ) y luego de vuelta a la energía potencial constantemente. Esto se conoce como conservación de la energía. En este sistema cerrado, la energía no puede ser creada o destruida; por lo tanto, la energía inicial y la energía final serán iguales entre sí. Esto se puede demostrar por lo siguiente:
( 4 )
La ecuación se puede simplificar aún más desde (masa veces la aceleración debido a la gravedad multiplicada por la altura) y (media masa multiplicada por la velocidad al cuadrado). Entonces se puede encontrar la cantidad total de energía agregando .
Conservación de energía y masa en transformación
La energía aumenta de peso cuando está atrapada en un sistema sin impulso, donde puede pesarse. También es equivalente a la masa, y esta masa siempre está asociada a ella. La masa también es equivalente a una cierta cantidad de energía, y asimismo siempre aparece asociada a ella, como se describe en la equivalencia masa-energía. La fórmula E = mc ², derivada por Albert Einstein (1905), cuantifica la relación entre la masa en reposo y la energía en reposo dentro del concepto de relatividad especial. En diferentes marcos teóricos, JJ Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904) y otros (JJ Thomson (1881)) obtuvieron fórmulas similares (ver Historia de equivalencias energético-masa para más información).
Parte de la energía en reposo (equivalente a la masa en reposo) de la materia se puede convertir a otras formas de energía (que aún exhiben masa), pero ni la energía ni la masa se pueden destruir; más bien, ambos permanecen constantes durante cualquier proceso. Sin embargo, dado que es extremadamente grande en relación con las escalas humanas ordinarias, la conversión de una cantidad diaria de masa en reposo (por ejemplo, 1 kg) de energía en reposo a otras formas de energía (como energía cinética, energía térmica o energía radiante) por la luz y otras radiaciones) puede liberar enormes cantidades de energía (~ julios = 21 megatones de TNT), como se puede ver en reactores nucleares y armas nucleares. Por el contrario, el equivalente de masa de una cantidad diaria de energía es minúsculo, por lo que una 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. Ejemplos de grandes transformaciones entre la energía en reposo (de la materia) y otras formas de energía (por ejemplo, la energía cinética en partículas con masa en reposo) se encuentran en la física nuclear y la física de partículas.
Transformaciones reversibles e irreversibles
La termodinámica divide la transformación de la energía en dos tipos: procesos reversibles y procesos irreversibles. Un proceso irreversible es aquel en que la energía se disipa (se disemina) 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 que este tipo de disipación no ocurre. Por ejemplo, la conversión de energía de un tipo de campo potencial a otro, es reversible, como en el sistema de péndulo descrito anteriormente. En los procesos donde se genera calor, los estados cuánticos de menor energía, presentes como posibles excitaciones en los campos entre átomos, actúan como un depósito de parte de la energía, de la cual no se puede recuperar, para convertirse con una eficiencia del 100% en otros formas de energia.
A medida que el universo evoluciona en el tiempo, más y más de su energía queda atrapada en estados irreversibles (es decir, como calor u otros tipos de aumentos en el desorden). Esto se conoce como la inevitable muerte por calor termodinámica del universo. En esta muerte por calor, la energía del universo no cambia, sino la fracción de energía disponible para trabajar a través de un motor térmico o transformarse en otras formas utilizables de energía (mediante el uso de generadores conectados a motores térmicos), crece cada vez menos
Conservacion de energia
El hecho de que la energía no puede crearse ni destruirse se llama ley de conservación de la energía. En la forma de la primera ley de la termodinámica, esto establece que la energía de un sistema cerrado es constante a menos que la energía se transfiera hacia adentro o hacia afuera por el trabajo o el calor, y que no se pierda energía en la transferencia. La entrada total de energía en un sistema debe ser igual al flujo total de salida de energía del sistema, más el cambio en la energía contenida dentro del sistema. Siempre que uno mida (o calcule) 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.
Mientras que el calor siempre puede convertirse 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 hace el trabajo siempre pierde algo de energía como calor residual. Esto crea un límite a la cantidad de energía térmica que puede funcionar en un proceso cíclico, un límite llamado energía disponible. Las formas mecánicas y otras formas de energía pueden transformarse en la otra dirección en energía térmica sin tales limitaciones. La energía total de un sistema puede calcularse sumando todas las formas de energía en el sistema.
Richard Feynman dijo durante una conferencia de 1961:
La mayoría de los tipos de energía (con la energía gravitacional como una excepción notable) 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 la 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 al revés.
Esta ley es un principio fundamental de la física. Como se muestra rigurosamente por 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 temporal. Dicho de otra manera, ayer, hoy y mañana son físicamente indistinguibles. Esto se debe a que la energía es la cantidad que es canónica conjugada con el tiempo. Este enredo matemático de energía y tiempo también da como resultado el principio de incertidumbre: es imposible definir la cantidad exacta de energía durante un intervalo de tiempo definido. El principio de incertidumbre no debe confundirse con la conservación de la energía, sino que proporciona límites matemáticos a los que la energía puede, en principio, definirse y medirse.
Cada una de las fuerzas básicas de la naturaleza está asociada con un tipo diferente de energía potencial, y todos los tipos de energía potencial (como todos los demás tipos de energía) aparecen como masa del sistema, siempre que estén presentes. Por ejemplo, un resorte comprimido será un poco más masivo que antes de ser comprimido. Del mismo modo, siempre que la energía se transfiere entre sistemas por cualquier mecanismo, una masa asociada se transfiere con ella.
En la mecánica cuántica, la energía se expresa utilizando el operador hamiltoniano. En cualquier escala de tiempo, la incertidumbre en la energía es por
que es similar en forma al Principio de Incertidumbre de Heisenberg (pero no es realmente matemáticamente equivalente a eso, ya que H y t no son dinámicamente variables conjugadas, ni en la mecánica clásica ni en la mecánica cuántica).
En la física de partículas, esta desigualdad permite una comprensión cualitativa de las partículas virtuales que transmiten impulso, intercambio por el cual y con partículas reales, es responsable de la creación de todas las fuerzas fundamentales conocidas (más exactamente conocidas como interacciones fundamentales). Los fotones virtuales (que son simplemente el estado de energía mecánico cuántico más bajo de los fotones) también son responsables de la interacción electrostática entre las cargas eléctricas (que da como resultado la ley de Coulomb), la decadencia radiativa espontánea de los estados atómicos y nucleares salientes, la fuerza de Casimir, van der Waals fuerzas de unión y 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 transferencias de materia. La porción de energía que es transferida por fuerzas conservadoras a lo largo de una distancia se mide como el trabajo que hace el sistema fuente en el sistema receptor. La porción de energía que no funciona durante la transferencia se llama calor. La energía se puede transferir entre los 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 está estrictamente conservada y también se conserva localmente donde sea que se pueda definir. En termodinámica, para sistemas cerrados, el proceso de transferencia de energía se describe en la primera ley:
( 1 )
dónde está la cantidad de energía transferida, representa el trabajo realizado en el sistema y representa el flujo de calor en el sistema. Como simplificación, el término de calor, a veces se ignora, especialmente cuando la eficiencia térmica de la transferencia es alta.
( 2 )
Esta ecuación simplificada es la que se usa para definir el joule, 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 (ambos procesos se ilustran alimentando un auto, un sistema que gana energía de ese modo, sin la adición de trabajo o calor). Denotando esta energía , uno puede escribir
( 3 )
Termodinámica
Energía interna
La energía interna es la suma de todas las formas microscópicas de energía de un sistema. Es la energía necesaria para crear el sistema. Está relacionado con la energía potencial, por ejemplo, la estructura molecular, la estructura cristalina y otros aspectos geométricos, así como el movimiento de las partículas, en forma de energía cinética. La termodinámica se refiere principalmente a los cambios en la energía interna y no a su valor absoluto, que es imposible de determinar con la termodinámica sola.
Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica afirma que la energía (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 comúnmente utilizado de la primera ley 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, el el cambio diferencial en la energía interna del sistema (con una ganancia en energía significada por una cantidad positiva) se da como
- ,
donde el primer término a la derecha es el calor transferido al sistema, expresado en términos de temperatura T y entropía S (en el que aumenta la entropía y el cambio d S es positivo cuando el sistema se calienta), y el último término a la derecha El lado de la mano se identifica como trabajo realizado en el sistema, donde la presión es P y el volumen V (el signo negativo se produce porque la compresión del sistema requiere trabajo y el cambio de volumen, d V , es negativo cuando el trabajo está terminado en el sistema).
Esta ecuación es muy específica, ignorando todas las fuerzas químicas, eléctricas, nucleares y gravitacionales, efectos tales como la advección de cualquier forma de energía que no sea el calor y el 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 por
¿Dónde está el calor suministrado al sistema y es el trabajo aplicado al sistema?
Equipartición de energía
La energía de un oscilador armónico mecánico (una masa en un resorte) es alternativamente cinética y potencial. En dos puntos en el ciclo de oscilación es completamente cinético, y en dos puntos es completamente potencial. A lo largo de todo el ciclo, o durante muchos ciclos, la energía neta se divide por tanto en partes iguales entre cinética y potencial. Esto se llama principio de equipartición; la energía total de un sistema con muchos grados de libertad se divide por igual entre todos los grados de libertad disponibles.
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, dados los nuevos estados de energía disponibles que son los mismos que los estados existentes), la energía total se extiende por todos los grados disponibles sin distinción entre grados "nuevos" y "viejos". Este resultado matemático se llama la segunda ley de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica es válida solo para sistemas que están cerca o en estado de equilibrio. Para los sistemas que no están en equilibrio, las leyes que gobiernan el comportamiento del sistema aún son discutibles. Uno de los principios rectores para estos sistemas es el principio de máxima producción de entropía.