El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, surgir, transformar o poner en movimiento. En física, energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para poder extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico.
Energía
mecánica
En física clásica antigua, la ley universal de conservación de la energía —que es el
fundamento del primer principio de la termodinámica—,
indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el
tiempo. Eso significa que para multitud de sistemas físicos clásicos la suma de
la energía mecánica, la energía calorífica, la energía electromagnética, y otros tipos de
energía potencial es un número constante. Por
ejemplo, la energía cinética se cuantifica en función del
movimiento de la materia,
la energía potencial según propiedades como el estado de deformación
o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre
ella, la energía térmica según su capacidad calorífica, y la energía química según la composición química.
En mecánica cuántica el resultado de la medida de
una magnitud en el caso general no da un resultado determinista, por lo que
solo puede hablarse del valor de la energía de una medida, no de la energía del
sistema. El valor de la energía en general es una variable aleatoria, aunque su
distribución sí puede ser calculada, si bien no el resultado particular de una
medida. En mecánica cuántica el valor esperado de la energía de un estado estacionario se mantiene constante. Sin
embargo, existen estados que no son propios del hamiltoniano para los cuales la
energía esperada del estado fluctúa, por lo que no es constante. La varianza de
la energía medida además puede depender del intervalo de tiempo, de acuerdo con
el principio de indeterminación de
Heisenberg.
Se utiliza como una abstracción
de los sistemas físicos por la facilidad para trabajar con magnitudes
escalares, en comparación con las magnitudes vectoriales como la velocidad
o la aceleración. Por ejemplo, en mecánica,
se puede describir completamente la dinámica
de un sistema en función de las energías cinética, potencial, que componen la energía mecánica, que en la mecánica newtoniana tiene la propiedad de
conservarse, es decir, ser invariante en el tiempo.
Física relativista.- En relatividad general, el «campo» gravitatorio no es propiamente un campo físico ordinario, lo cual lleva a dificultades para atribuir una energía dada a un sistema no aislado, ya que un campo gravitatorio no estacionario no da lugar a una energía potencial bien definida.
Física cuántica.- En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida.
Química.- Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular (véase Ruta metabólica).
Podemos encontrar ejemplos de
energía química en la vida de los seres vivos, es decir, en la vida biológica.
Dos de los procesos más importantes que necesitan de este tipo de energía es el
proceso de fotosíntesis en vegetales y la respiración en los animales. En la fotosíntesis,
los vegetales utilizan clorofila para separar el agua y así convertirla después
en hidrógeno y oxígeno: el hidrógeno, combinado con el carbono del ambiente,
producirá carbohidratos. En la respiración sucede lo contrario: el oxígeno es
utilizado para quemar moléculas de carbohidratos.
Energía potencial
Es la energía que se le puede
asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de su posición o de su
configuración. Si en una región del espacio existe un campo de fuerzas conservativo, la
energía potencial del campo en el punto (A) se define como el trabajo requerido
para mover una masa desde un punto de referencia (nivel de tierra) hasta el punto (A). Por definición el nivel de
tierra tiene energía potencial nula. Algunos tipos de energía potencial que
aparecen en diversos contextos de la física son:
- La energía potencial gravitatoria asociada a la posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (en el contexto de la mecánica clásica). La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio constante viene dada por: donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de energía potencial.
- La energía potencial electrostática V de un sistema se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación: siendo E el valor del campo eléctrico.
- La energía potencial elástica asociada al campo de tensiones de un cuerpo deformable.
La energía potencial puede
definirse solamente cuando existe un campo
de fuerzas que es conservativa, es decir, que cumpla con alguna
de las siguientes propiedades:
- El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos es independiente del camino recorrido.
- El trabajo realizado por la fuerza para cualquier camino cerrado es nulo.
- Cuando el rotor de F es cero (sobre cualquier dominio simplemente conexo).
Se puede demostrar que todas las
propiedades son equivalentes (es decir que cualquiera de ellas implica la
otra). En estas condiciones, la energía potencial en un punto arbitrario se
define como la diferencia de energía que tiene una partícula en el punto
arbitrario y otro punto fijo llamado «potencial cero».
Energía cinética de
una masa puntual
La energía cinética es un concepto fundamental de la
física que aparece tanto en mecánica clásica, como mecánica relativista y mecánica cuántica. La energía cinética es una magnitud escalar asociada al movimiento de cada una
de las partículas del sistema. Su expresión varía ligeramente de una teoría
física a otra. Esta energía se suele designar como K, T o Ec.
El límite clásico de la energía cinética de un cuerpo
rígido que se desplaza a una velocidad v
viene dada por la expresión:
Una propiedad interesante es que
esta magnitud es extensiva por lo que la energía
de un sistema puede expresarse como «suma» de las energías de partes disjuntas
del sistema. Así por ejemplo puesto que los cuerpos están formados de
partículas, se puede conocer su energía sumando las energías individuales de
cada partícula del cuerpo.
Magnitudes
relacionadas
La energía se define como la
capacidad de realizar un trabajo. Energía y trabajo son equivalentes y, por
tanto, se expresan en las mismas unidades. El calor es una forma
de energía, por lo que también hay una equivalencia entre unidades de energía y
de calor. La capacidad de realizar un trabajo en una determinada cantidad de tiempo es la potencia.
Transformación de
la energía
Para la optimización de recursos
y la adaptación a nuestros usos, necesitamos transformar unas formas de energía
en otras. Todas ellas se pueden transformar en otra cumpliendo los siguientes
principios termodinámicos:
- «La energía no se crea ni se destruye;
solo se transforma». De este modo, la cantidad de energía inicial es igual a la final.
- «La energía se degrada continuamente hacia una forma de energía de menor calidad (energía térmica)». Dicho de otro modo, ninguna transformación se realiza con un 100 % de rendimiento, ya que siempre se producen unas pérdidas de energía térmica no recuperable. El rendimiento de un sistema energético es la relación entre la energía obtenida y la que suministramos al sistema.
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