En términos fundamentales, la energía se define como
la capacidad de realizar trabajo o de transferir calor. Es una
propiedad intrínseca de la materia que no se crea ni se destruye, solo se
transforma de una forma a otra, según el principio de conservación de la
energía. Podemos observar la energía en acción en innumerables fenómenos, desde
el movimiento de un automóvil hasta la fotosíntesis en una planta.
Existen diversas formas de energía, cada una con
manifestaciones y aplicaciones distintas. La energía cinética es la
energía del movimiento, presente en cualquier objeto que se desplaza. Por otro
lado, la energía potencial es la energía almacenada debido a la posición
o configuración de un objeto, como la energía de un resorte comprimido o la
energía gravitacional de un objeto elevado. Además, la energía puede
manifestarse como energía térmica (asociada a la temperatura de una
sustancia), energía química (almacenada en los enlaces moleculares), energía
eléctrica (generada por el flujo de electrones), energía nuclear
(liberada de los núcleos atómicos), y energía radiante (como la luz
solar), entre otras. La interconversión entre estas formas de energía es la
base de todos los procesos físicos, químicos y biológicos que ocurren en el
universo
A diferencia de la materia, la energía no tiene masa
y no puede mantenerse en nuestras manos. De hecho, si alguien pudiera
"manifestar su ki" como en Dragon Ball, lo que aparecería no
sería energía pura, sino plasma, una forma de materia gaseosa altamente
ionizada y con alta energía. Este ejemplo ilustra que, aunque la energía
puede ser la causa de fenómenos visibles y tangibles, ella misma permanece
como un concepto abstracto, una capacidad de transformar, que solo se
hace evidente a través de sus efectos sobre la materia.
Unidades de energía
La unidad SI para la energía es el joule (pronunciado
"yul"), J, en honor de James Joule (1818-1889), un científico
británico que investigó el trabajo y el calor: 1 J = 1 kg m2/s2.
Debido a que un joule no es una gran cantidad de energía, a menudo usamos
kilojoules (kJ) para discutir las energías asociadas con las reacciones
químicas.
Figura
1. El Teorema de la Energía Cinética vincula el trabajo neto
sobre un objeto con el cambio en su energía de movimiento. Esta energía
depende directamente de la masa del objeto y del cuadrado de su
rapidez. Así, el trabajo total se calcula observando cómo varía la rapidez
del objeto, sin necesidad de analizar cada fuerza individualmente.
Tradicionalmente, los cambios de energía que acompañan a las
reacciones químicas se han expresado en calorías, una unidad no perteneciente
al SI que todavía se usa ampliamente en química, biología y bioquímica. Una
caloría (cal) se definió originalmente como la cantidad de energía requerida
para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5 a 15.5 ° C.
(a) Igualdad caloría menor o caloría mecánica a
julios: 1 cal = 4.184 J.
(b) Igualdad unidades de gases a julios: 1 atm
L=101.3 J.
(c) Igualdad caloría mayor o caloría nutricional a
julios: 1 Cal = 103 cal = 1 kcal.
Una unidad de energía relacionada utilizada en nutrición es
la Caloría nutricional (tenga en cuenta la C mayúscula).
Mecanismos de transferencia de energía
Un mecanismo de transferencia de energía es un
proceso mediante el cual la energía se mueve de un lugar a otro o se convierte
de una forma a otra. Es importante tener en cuenta que la energía en sí misma
es una propiedad abstracta que no puede ser creada ni destruida, pero puede ser
transferida y transformada. Algunos de los mecanismos de transferencia de
energía más comunes son:
- Conducción:
Es la transferencia de energía térmica a través de un material
sólido debido a una diferencia de temperatura. Esta transferencia se
produce cuando las partículas de un material vibran y transmiten esa
vibración a las partículas adyacentes. Piensa en cómo se calienta una
cuchara de metal si la dejas en una sopa caliente.
- Convección:
Es la transferencia de energía térmica a través del movimiento de
un fluido (líquido o gas). Esto puede ser natural, como la circulación de
aire caliente que sube en una habitación, o forzado, como el aire movido
por un ventilador o la bomba de agua en un motor.
- Radiación:
Es la transferencia de energía a través de ondas
electromagnéticas, como la luz visible, los rayos X o la radiación
infrarroja. Esto ocurre cuando un cuerpo emite energía en forma de ondas
que son absorbidas por otro cuerpo. Así es como sentimos el calor del sol
o el de una fogata.
- Trabajo
mecánico: Es la transferencia de energía mediante la
realización de trabajo mecánico, lo que implica una fuerza que causa un
desplazamiento. Se produce cuando se aplica una fuerza a un objeto y este
se mueve una distancia. Por ejemplo, al empujar un carro, le transfieres
energía mecánica.
- Transmisión
de energía eléctrica: Es la transferencia de energía eléctrica
a través del movimiento de cargas eléctricas, típicamente electrones, a
través de un conductor. Esta transferencia es fundamental para alimentar
nuestros dispositivos y ciudades, moviéndose a través de cables
eléctricos.
- Transferencia
de energía nuclear: Es la transferencia de energía liberada a
través de reacciones nucleares, como la fisión nuclear (división de
núcleos atómicos) o la fusión nuclear (unión de núcleos atómicos). Este es
el proceso detrás de las centrales nucleares y la energía del sol,
liberando enormes cantidades de energía almacenada en los núcleos de los
átomos.
Mecanismos de almacenamiento
La energía también puede almacenarse dentro de la
materia o en relación con ella, lista para ser liberada y transformada. Esta
energía asociada a la materia se manifiesta de varias formas clave:
- Energía
térmica: Es la energía asociada directamente con la temperatura
de un objeto, reflejando el movimiento aleatorio de sus átomos y
moléculas. Se transfiere principalmente por conducción, convección y
radiación, y es fundamental en sistemas de calefacción, refrigeración y en
la generación de energía eléctrica a partir de vapor.
- Energía
cinética: Esta es la energía del movimiento de un objeto.
Depende directamente de la masa y la velocidad del mismo. Se aprovecha en
la producción de energía eléctrica a gran escala mediante el uso de
turbinas hidráulicas (movidas por agua), eólicas (movidas por viento) y de
vapor (movidas por vapor a alta presión).
- Energía
potencial: Es la energía almacenada debido a la posición o
el estado de un objeto. Su magnitud depende de factores como la altura
(energía potencial gravitatoria), la fuerza gravitatoria, o la elasticidad
(energía potencial elástica, como en un resorte estirado). Es esencial en
la energía hidroeléctrica, donde el agua almacenada a gran altura posee
energía potencial que se convierte en eléctrica al caer; también está
presente en la energía nuclear y geotérmica.
- Energía
eléctrica: Esta forma de energía se asocia con el movimiento de
cargas eléctricas. Es la base de nuestra infraestructura energética
moderna, utilizándose en la producción y distribución de energía
eléctrica, así como en tecnologías de almacenamiento como las baterías
y las células solares, donde la energía lumínica se convierte
directamente en eléctrica.
- Energía
química: Es la energía almacenada en los enlaces químicos entre
átomos y moléculas. Se libera cuando estos enlaces se rompen y se forman
nuevos enlaces más estables. Es la fuente de energía en los combustibles
fósiles (carbón, petróleo, gas natural), en las baterías
(mediante reacciones electroquímicas) y en las células de combustible,
que la convierten directamente en electricidad.
- Energía
nuclear: Esta es la energía almacenada en el núcleo de un átomo,
específicamente en las fuerzas que mantienen unidos a sus protones y
neutrones. Se libera en cantidades masivas durante procesos de fisión
nuclear (división de núcleos pesados) y fusión nuclear (unión
de núcleos ligeros). Es la base de la producción de energía en centrales
nucleares y tiene aplicaciones en tecnología militar.
Referencias
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