TEMAS DE FÍSICA

Este artículo es sobre la cantidad física escalar. Para obtener una descripción general y una guía temática de la energía, consulte Esquema de la energía . Para otras aplicaciones, vea Energía (desambiguación) .

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Energía
El Sol es la fuente de energía para la mayor parte de la vida en la Tierra. Como estrella, el Sol se calienta a altas temperaturas mediante la conversión de la energía de enlace nucleardebido a la fusión de hidrógeno en su núcleo. Esta energía finalmente se transfiere (libera) al espacio principalmente en forma de energía radiante (luz) .
Simbolos comunes	mi
Unidad SI	joule
Otras unidades	erg , calorías , kcal , BTU ,kW⋅h , eV
En unidades base SI	J = kg m 2 s −2
Extenso ?	sí
Conservado ?	sí
Dimensión	M L 2 T −2

En física , la energía es la propiedad cuantitativa que debe transferirse a un objeto para realizar un trabajo en, o para calentar , el objeto. ^{[nota 1] La} energía es una cantidad conservada ; La ley de conservación de la energía establece que la energía puede ser convertida en forma, pero no creada o destruida. La unidad de energía SI es el joule , que es la energía transferida a un objeto por el trabajo de moverlo una distancia de 1 metro contra una fuerza.de 1 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 , eléctrica o magnética ), 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 debido a la temperatura de un objeto .

La masa y la energía están estrechamente relacionadas. Debido a la equivalencia masa-energía , cualquier objeto que tenga 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 sobre 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 medirse como un pequeño aumento de masa, con una escala suficientemente sensible .

Los organismos vivos requieren exergía para mantenerse vivos, como la energía que los humanos obtienen de los alimentos . La civilización humana requiere la energía para funcionar, que se obtiene de los recursos energéticos como los combustibles fósiles , el combustible nuclear o la energía renovable. 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.

Formas

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En un rayo típico , 500 megajuliosde energía potencial eléctrica se convierten en la misma cantidad de energía en otras formas, principalmente energía luminosa , energía acústica y energía térmica .

La energía térmica es la energía de los componentes microscópicos de la materia, que puede incluir tanto energía cinética como potencial .

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 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 ser almacenado 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 energía mecánica macroscópica es la suma de la energía cinética de traslación y de rotación, y en un sistema se descuida la energía cinética debida a la temperatura, y la energía nuclear que combina utiliza potenciales de la fuerza nuclear y la fuerza débil , entre otros. ^{[ cita requerida ]}

Algunas formas de energía (que un objeto o sistema puede tener como propiedad medible)

Tipo de energia	Descripción
Mecánico	La suma de las energías macroscópicastranslacionales, rotacionales, cinéticas y potenciales.
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 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 los nucleones para formar el núcleo atómico (y reacciones nucleares).
Cromodinamica	Energía potencial que une a los quarks para formarhadrones.
Elástico	Energía potencial debido a la deformación de un material (o su contenedor) que exhibe una fuerza restauradora.
Onda mecanica	Energía cinética y potencial en un material elástico debido a una onda deformacional 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 propagación por radiación electromagnética , incluida la luz.
Descanso	Energía potencial debido a la masa en reposo de un objeto.
Térmico	Energía cinética del movimiento microscópico de partículas, una forma de equivalente desordenado de energía mecánica.

Historia

Artículos principales: Historia de la energía y cronología de la termodinámica, mecánica estadística y procesos aleatorios.

Thomas Young , la primera persona en usar el término "energía" en el sentido moderno.

La palabra energía deriva del griego antiguo : ἐνέργεια , romanizada : energeia , lit.  'actividad, operación', ^[1] que posiblemente aparezca por primera vez en la obra de Aristóteles en el siglo IV a. En contraste con la definición moderna, la energeia era un concepto filosófico cualitativo, lo suficientemente amplio como para incluir ideas como la felicidad y el placer.

A finales del siglo XVII, Gottfried Leibniz propuso la idea del latín : vis viva , o fuerza viva, que se define como el producto de la masa de un objeto y su velocidad al cuadrado; Creía que se conservaba la vis vivatotal . Para explicar la desaceleración debida 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 fuera generalmente aceptado. El análogo moderno de esta propiedad, la energía cinética , difiere de la 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. ^[2] Gustave-Gaspard Coriolis describió " 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, apodada como una cantidad calórica o simplemente física, como el impulso . En 1845 James Prescott JouleDescubrió 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 de Rudolf Clausius , Josiah Willard Gibbs y Walther Nernst . También llevó a una formulación matemática del concepto de entropía de Clausius ya la introducción de leyes de energía radiante por Jožef Stefan . Según 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. ^[3]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

Aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor. Un peso descendente unido a una cuerda hace que una paleta sumergida en agua gire.

Artículo principal: Unidades de energía.

En 1843, Joule descubrió de forma independiente el equivalente mecánico en una serie de experimentos. El más famoso de ellos usó el "aparato Joule": un peso descendente, unido a una cuerda, causó la rotación de una paleta sumergida en agua, prácticamente aislada de la transferencia de calor. Mostró que la energía potencial gravitatoria 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 julio, que lleva el nombre de James Prescott Joule. Es una unidad derivada . Es igual a la energía gastada (o trabajo realizado) en la aplicación de una fuerza de un newton a través de una distancia de un metro. Sin embargo, la energía también se expresa en muchas otras unidades que no forman parte del SI, como ergs , calorías , unidades térmicas británicas , kilovatios-hora y kilocalorías , que requieren un factor de conversión cuando se expresan en unidades SI.

La unidad SI de la tasa de energía (energía por unidad de tiempo) es el vatio , que es un joule 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 erg y la unidad tradicional imperial y estadounidense es la libra de pie . Otras unidades de energía, como el voltaje electrónico , las calorías de los alimentos o las kcal termodinámicas (basadas 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

Parte de una serie de artículos sobre
Mecanica clasica
$${\ displaystyle {\ vec {F}} = m {\ vec {a}}} Segunda ley del movimiento
Historia Línea de tiempo
Sucursales[mostrar]
Fundamentos[show]
Formulaciones[show]
Temas principales[mostrar]
Rotación[mostrar]
Científicos[mostrar]
v t mi

Artículos principales: Mecánica , trabajo mecánico y termodinámica.

En la mecánica clásica, la energía es una propiedad útil conceptualmente y matemáticamente, ya que es una cantidad conservada . Se han desarrollado varias formulaciones de mecánica utilizando la energía como un concepto central.

El trabajo , una función de la energía, es fuerza veces distancia.

$${\ displaystyle W = \ int _ {C} \ mathbf {F} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {s}}

Esto dice que el trabajo ($${\ displaystyle W}) 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 . Trabajo y por lo tanto la energía es dependiente del cuadro . Por ejemplo, considere una pelota que es golpeada por un bate. En el marco de referencia del centro de masa, el bate no trabaja en la pelota. Pero, en el marco de referencia de la persona que hace pivotar el bate, se realiza un trabajo considerable en la pelota.

La energía total de un sistema a veces se llama el Hamiltoniano , por 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. ^[4]

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 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. Generalmente, el formalismo de Lagrange es matemáticamente más conveniente que el Hamiltoniano para 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 constantes de movimiento en la mecánica de Lagrangian y Hamiltonian (1788 y 1833, respectivamente), no se aplica a sistemas que no pueden modelarse con un Lagrangian; 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 está acompañada por un cambio en uno o más de estos tipos de estructura, invariablemente está acompañada por un aumento o disminución de la energía de las sustancias involucradas. Se transfiere algo de energía 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 las reacciones endergónicas , la situación es la inversa. Reacciones químicasinvariablemente no son posibles a menos que los reactivos superen una barrera de energía conocida como energía de activación . La 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 ^- E / kT  - que es la probabilidad de que la molécula tenga una energía mayor o igual a  E a la temperatura dada  T . Esta dependencia exponencial de una velocidad de reacción en la temperatura se conoce como la ecuación de Arrhenius . La energía de activación necesaria para una reacción química puede estar en forma de energía térmica.

Biología

Artículos principales: Bioenergética y Energía alimentaria.

Visión general básica de la energía y la vida humana .

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 célulabiológica o un orgánulo de un organismo biológico . De este modo, a menudo se dice que la energía es almacenada por las células en las estructuras de moléculas de sustancias como los carbohidratos(incluidos los azúcares), los lípidos y las proteínas , que liberan energía cuando reaccionan con el oxígeno en la respiración . En términos humanos, el equivalente humano.(He) (Conversión de energía humana) indica, para una cantidad dada de gasto de energía, la cantidad relativa de energía necesaria para el metabolismo humano , suponiendo un gasto energético humano promedio 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 solo unos segundos de duración, una persona puede apagar miles de vatios, muchas veces los 746 vatios en un caballo de fuerza oficial. Para tareas que duran unos minutos, un humano en forma puede generar tal vez 1,000 vatios. Para una actividad que debe mantenerse durante una hora, la producción se reduce a alrededor de 300; para una actividad mantenida durante todo el día, 150 vatios es aproximadamente el máximo.^[5] El equivalente humano ayuda a la comprensión de 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 cantidad determinada de energía. ^[6]

La energía radiante de la luz solar también es captada por las plantas como energía química potencial en la fotosíntesis , cuando el dióxido de carbono y el agua (dos compuestos de baja energía) se convierten en los compuestos de alta energía: carbohidratos, lípidos y proteínas. Las plantas también liberan oxígeno durante la fotosíntesis, que es utilizada por los organismos vivos como 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 ser provocada repentinamente por una chispa, en un incendio forestal, o puede estar disponible más lentamente para el metabolismo animal o humano, cuando estas moléculas se ingieren y el catabolismo es activado por la enzima. acción.

Cualquier organismo vivo depende de una fuente externa de energía: la energía radiante del Sol en el caso de las plantas verdes, la energía química de alguna forma en el caso de los animales, para poder crecer y reproducirse. Las calorías diarias de 1500–2000  (6–8 MJ) recomendadas para un adulto humano se toman como una combinación de moléculas de oxígeno y alimentos, las últimas principalmente carbohidratos y grasas, de las cuales la glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) y la 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.

{\ displaystyle {\ ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}

C ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ + 81.5O ₂ → 57CO ₂ + 55H ₂ O

y parte de la energía se utiliza para convertir ADP en ATP .

ADP + HPO ₄ ²⁻ → ATP + H ₂ O

El resto de la energía química en O ₂ ^[7] y los carbohidratos o grasas se convierten 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 metabolismocuando ATP reacciona con los grupos OH 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 utiliza para el trabajo: ^{[nota 2]}

ganancia de 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 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), y es cierto que la mayoría de las máquinas reales administran mayores eficiencias. 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 de las que está construido. La segunda ley de la termodinámica establece que la energía (y la materia) tiende a extenderse más uniformemente en todo el universo: para concentrar la energía (o la materia) en un lugar específico, es necesario distribuir una mayor cantidad de energía (como calor) a través del resto del universo ("el entorno"). ^{[nota 3]}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 a calor en cada paso en una ruta metabólica es la razón física detrás de la pirámide de biomasa observada en ecología : para dar solo el primer paso en la cadena alimentaria , de los 124.7 Pg / a estimados El carbono que se fija mediante la fotosíntesis , 64.3 Pg / a (52%) se usa para el metabolismo de las plantas verdes, ^[8] es decir, se reconvierte en dióxido de carbono y calor.