Definición de Energía: _{Formas de energía, conversiones y medidas}

¿Qué es la energía?

Básicamente, la energía es un concepto muy simple. El término fue inventado por primera vez por Thomas Young en 1807 después de la palabra griega energeia , que se traduce aproximadamente como "actividad". La energía es la capacidad de un objeto para realizar trabajo sobre otro objeto. En esencia, esta es una definición simple; sin embargo, puede manifestarse de muchas formas.

Energía mecánica

La energía mecánica es la energía que posee un objeto debido a su movimiento o posición. A menudo describimos la energía mecánica en dos formas diferentes, potencial y cinética. La energía potencial se denomina energía "almacenada" porque es la energía que posee un objeto como resultado de su posición en relación con un campo de fuerza, como la gravedad. Por ejemplo, cuando levantamos una pelota del suelo en el aire, el objeto gana energía potencial a medida que se mueve a una posición en la que la gravedad hará que caiga al suelo si la soltamos. Si luego dejamos caer la pelota, la energía potencial que está presente se convierte en energía cinética, que es la energía asociada con el movimiento de un objeto. Los conceptos de energía potencial y cinética no se aplican solo a la energía mecánica. Se considera que una batería que no está conectada a un circuito tiene energía potencial que puede convertirse en energía eléctrica si el circuito está cerrado. La energía potencial también se encuentra en otras formas de energía.

La conversión de potencial en energía cinética se demuestra en el siguiente ejemplo usando un peso y una polea (vea la simulación del concepto a continuación). A medida que el individuo levanta el peso contra la fuerza de la gravedad, la energía potencial aumenta. Dejar caer el peso convertirá esta energía potencial en energía cinética momentáneamente mientras el objeto cae. Cuanto más alto elevamos el objeto, más energía potencial impartimos, ya que está más lejos de la superficie de la Tierra y, por lo tanto, más energía cinética libera al caer. Puedes probar este experimento tú mismo; el enlace a continuación le permite levantar y soltar un peso de 100 kg. Puede observar cómo la energía potencial y cinética se relacionan entre sí al “congelar” el peso a diferentes alturas durante su caída.

Energía térmica

La energía térmica también está asociada con el movimiento, pero en este caso es el movimiento de los objetos a nivel atómico. La energía térmica se deriva de la energía cinética de átomos o moléculas dentro de un sistema. En otras palabras, los átomos y moléculas de todas las sustancias están en movimiento constante a cualquier temperatura por encima del cero absoluto, y esto es cierto incluso para los sólidos. La energía térmica de un material, medida por su temperatura, está relacionada con el movimiento de los átomos y las moléculas dentro de ese material: los materiales calientes contienen moléculas que se mueven muy rápidamente, mientras que los materiales más fríos tienen moléculas que se mueven más lentamente.

Entonces, ¿cuál es la diferencia entre energía térmica y mecánica? En pocas palabras, es la escala del problema. Por ejemplo, si toca una sartén caliente, los átomos de metal se mueven muy rápidamente y pueden transferir la energía térmica a ese nivel atómico, causando dolor e incluso quemaduras. La energía mecánica es la energía que se libera cuando dejas caer la sartén porque está caliente.

Energía química

La energía química también está relacionada con los átomos y las moléculas, pero es una función de su estructura e interacción en contraposición a su movimiento. Como se describe en nuestro módulo Enlace químico , los átomos y las moléculas pueden unirse entre sí como resultado de su estructura electrónica. Similar a cuando levantamos o dejamos caer un objeto dentro de un campo de fuerza gravitacional, la unión de dos átomos representa una interacción dentro de un campo de fuerza electromagnético. Y esta interacción da como resultado un cambio de energía. En algunos casos, los cambios químicos requieren la entrada de energía, mientras que en otros casos los cambios químicos emiten energía en forma de calor, energía mecánica (como durante una explosión) o energía eléctrica (como en una batería).

Energía nuclear

Los átomos también contienen energía almacenada en función de sus estructuras internas. Dentro del núcleo del átomo, la fuerte fuerza nuclear mantiene unidos a los protones y neutrones. La ruptura o formación de estas interacciones nucleares puede absorber o liberar energía nuclear. Estos procesos pueden ocurrir naturalmente, como cuando un elemento radiactivo como el uranio se desintegra. De hecho, el calor de los elementos radiactivos naturales de la corteza terrestre contribuye sustancialmente a la producción de calor en el núcleo de la Tierra. También pueden ser estimulados para que ocurran artificialmente, y la energía nuclear liberada por estos procesos radiactivos estimulados es lo que impulsa a las plantas de energía nuclear.

Energía electromagnética

Otra forma de energía se asocia con partículas incluso más pequeñas que los átomos. La energía electromagnética es causada por el movimiento de los fotones, que son paquetes de energía que se comportan como partículas y como ondas. Los fotones componen todas las formas de radiación electromagnética con las que estamos familiarizados, como la luz visible, infrarroja y ultravioleta, las ondas de radio y las microondas, así como aquellas con las que podríamos estar menos familiarizados, como la radiación gamma. La energía electromagnética a menudo provoca cambios en el nivel de energía de los electrones dentro de los átomos o en el movimiento de átomos y moléculas. Por ejemplo, las moléculas de agua pueden absorber la radiación de microondas, lo que hace que vibren, aumentando su energía térmica y calentando la comida en el proceso. Y las ondas ultravioleta pueden dañar las moléculas de la propia piel, provocando quemaduras solares incluso en ausencia de energía térmica.

Energía eléctrica

La energía eléctrica también se basa en el movimiento de partículas asociadas a los átomos, pero en este caso es el flujo de electrones dentro de un sistema. La energía eléctrica se puede generar de varias formas. Por ejemplo, ciertas reacciones químicas, como las que tienen lugar en las baterías, hacen que fluyan los electrones. Además, mover físicamente un conductor como un metal en un campo magnético puede generar corriente eléctrica. Y la luz también puede estimular el flujo de electrones en ciertos materiales, como las células fotovoltaicas. Una vez que se genera la corriente eléctrica, puede fluir a través de materiales que tienen electrones adheridos "sueltos", específicamente metales, lo que los convierte en buenos conductores de electricidad.

Otras formas de energía

Si bien es más probable que encontremos estas seis formas de energía en la vida diaria, no son las únicas formas en que se puede ver la energía. En general, sin embargo, otras formas de energía son descripciones realmente especiales de las seis formas que hemos discutido. La energía del sonido, por ejemplo, puede crear fuerzas de conmoción a través de la vibración de las partículas de aire. Esta es realmente una forma específica de energía mecánica. El punto clave es que encontrará energía en una gran variedad de formas.

James Joule y la conversión de energía

La energía se manifiesta de tantas formas diferentes que a primera vista puede parecer imposible relacionarlas. De hecho, durante mucho tiempo los científicos pensaron que cada forma de energía representaba una propiedad única sobre el universo. Por ejemplo, se pensó que el trabajo (energía mecánica) y el calor (energía térmica) eran dos entidades completamente separadas.

Este concepto de formas separadas de energía fue finalmente desafiado con éxito por James Prescott Joule (1818-1889), un químico escocés que contribuyó con varios hallazgos experimentales importantes a nuestra comprensión de la energía (Figura 3). Su experimento más famoso, publicado en 1845, utilizó una rueda de paletas para demostrar que las diferentes formas de energía son intercambiables. Este concepto no fue descubierto por completo por Joule; varios investigadores intentaron demostrar que el calor y la energía eran interconvertibles antes de Joule, pero sus experimentos estaban mal diseñados, lo que condujo a resultados ambiguos que fueron cuestionados. Joule, mediante una planificación diligente y una medición cuidadosa, fue el primer científico en respaldar este concepto con datos sólidos. Para hacer esto, Joule construyó un sistema especial de poleas y un recipiente de agua sellado que estaba aislado del medio ambiente. Usó un sistema de pesos para realizar una cantidad precisa de trabajo en la rueda de paletas, lo que, a su vez, hizo que el agua en el recipiente se moviera. La fricción asociada con la agitación del agua dentro de un recipiente elevó la temperatura del agua, que podría medirse con un termómetro. Sus datos experimentales mostraron que un peso de 772 libras cayendo un pie aumentaría la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit. Al hacer esto, Joule fue el primero en demostrar claramente más allá de la sombra de la duda que la energía mecánica se podía transformar en energía térmica.

En muchos sentidos, este concepto de transformar el movimiento en energía es muy obvio para nosotros en los tiempos modernos. Si se frota las manos, se calientan más debido a la fricción. Sin embargo, es importante señalar que los científicos de la época de James Joule no encontraron este concepto intuitivo. Pensaron que el calor era causado por una sustancia almacenada dentro de objetos calientes llamada "calórica" y, a medida que esta sustancia se movía, podría trabajar (para obtener más información sobre la teoría calórica del calor, consulte nuestra Módulo de Termodinámica I ). Al comprender que la energía térmica y la energía mecánica eran dos formas diferentes de la misma cosa, Joule demostró un concepto crítico y contribuyó enormemente a nuestra comprensión de la energía.

Curiosamente, la idea de que las formas de energía no se pueden convertir no se limita a la interacción entre la energía mecánica y térmica. Antes del siglo XIX, la relación entre la electricidad, el magnetismo y la luz eludía a los científicos. Se decía que cada uno de ellos requería un "éter" diferente y tenía propiedades únicas. Sin embargo, esto cambió cuando Michael Faraday (que se muestra en la figura 4) inventó el generador eléctrico en 1821. Faraday había estado experimentando con dispositivos para mantener una corriente eléctrica constante. Descubrió que podía lograrlo girando un disco de cobre dentro de un campo magnético. Sorprendentemente, descubrió que también podía causar el efecto opuesto: hacer pasar una corriente a través del disco activaba la rotación del disco. Faraday pudo demostrar que, con el diseño correcto, esta rotación podría usarse para impulsar un eje. Faraday había inventado un precursor del motor eléctrico y, al hacerlo, fue uno de los primeros científicos en demostrar que la energía eléctrica y mecánica se podían interconvertir.

Ciertamente, hay muchas formas diferentes de convertir energía. Describir cada uno podría llenar volúmenes de libros: el calor liberado por la energía nuclear impulsa la formación de vapor y se usa para hacer girar turbinas gigantes para generar electricidad, nuestro cuerpo usa energía química para impulsar nuestros músculos y la lista continúa. Es posible transformar cualquier forma de energía en cualquier otra.

Medición de energía

Como ya se discutió, todas las diferentes manifestaciones de energía están relacionadas. Todos describen la capacidad de un sistema para realizar algún tipo de trabajo. Como tal, todos se pueden medir usando la misma unidad. Debido a que James Joule fue uno de los primeros científicos en documentar el fenómeno de la conversión de energía, y debido a que sus observaciones fueron detalladas con tanto cuidado en sus escritos, ahora llamamos joule a la unidad utilizada para medir la energía. Esta unidad describe formalmente la energía que se necesita para producir un newton de fuerza en una distancia de un metro o la energía eléctrica que se necesita para pasar un amperio de corriente a través de una resistencia de un ohmio durante un segundo.

Si bien es importante reconocer que usamos solo una unidad para transmitir la cantidad de energía utilizada o emitida en un proceso, también es importante reconocer que rara vez, si es que alguna vez, podemos medir directamente la producción de energía sí mismo. La medición de la cantidad de energía convertida en un proceso generalmente se realiza analizando los cambios en otros parámetros, como la temperatura, y luego calculando hacia atrás a julios.

Por ejemplo, si necesita saber cuánta energía química se almacena en un bloque de madera, y si no tiene acceso a tablas con esa información, no hay ninguna herramienta que podamos usar para decir "esa madera contiene tanta energía química ". Para determinar la cantidad de energía contenida en la sustancia, debemos liberar esa energía quemando el bloque de madera y luego midiendo el cambio de temperatura en los alrededores (esto generalmente se mide mediante calorimetría, una técnica sobre la que puedes leer más en el módulo Termodinámica I ).

Sin experimento, no sería posible conocer la cantidad de energía en un objeto. Como tal, medir la energía es quizás uno de los conceptos más elusivos que encontramos cuando hablamos de energía. La energía es el potencial para realizar un trabajo; sin embargo, hasta que se agote, ¡no podemos observar cuánta energía teníamos!

La importancia de energía para la ciencia

Desde la astronomía hasta la zoología, todas las formas de ciencias naturales se basan en una comprensión de la energía hasta cierto punto. En las ciencias físicas, nuestra comprensión del flujo de energía ayuda a predecir reacciones químicas, determinar la trayectoria de los objetos y muchos otros procesos. En las ciencias de la vida, la energía se utiliza para estudiar cómo funcionan las enzimas y por qué las diferentes biomoléculas interactúan de determinadas formas. La energía es un concepto fundamental para todos los estudiantes de ciencias y es una piedra angular para la existencia en general.