Energía

El rayo es la ruptura eléctrica de aire por fuertes campos eléctricos, produciendo un plasma , lo que provoca una transferencia de energía desde el campo eléctrico para calentar , energía mecánica (el movimiento aleatorio de las moléculas de aire causados por el calor), y la luz.

En la física y otras ciencias , la energía (del griego ενεργός, energos ", activo, de trabajo") es un escalar cantidad física que es una propiedad de los objetos y sistemas que se conservan en la naturaleza. La energía se define a menudo como la capacidad de hacer el trabajo .

Varias formas diferentes de energía, incluida la cinética , potencial, térmica, gravitacional, elástica, electromagnética , química, nuclear, y masa se han definido para explicar todos los fenómenos naturales conocidos.

La energía es de convertir de una forma a otra. Este principio, la conservación de la energía, se postuló por primera vez en el siglo 19, y se aplica a cualquier sistema aislado. De acuerdo a 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.

Aunque la energía total de un sistema no cambia con el tiempo, su valor puede depender de la marco de referencia. Por ejemplo, un pasajero sentado en un avión en movimiento tiene cero energía cinética relativa al avión, pero no cero energía cinética respecto a la Tierra.

Historia

Thomas Young - el primero en utilizar el término "energía" en el sentido moderno.

El concepto de energía surgió de la idea de vis viva, que Leibniz define como el producto de la masa de un objeto y su velocidad al cuadrado; creía ese total vis viva se conservó. Para dar cuenta de la desaceleración debido a la fricción, Leibniz afirmó que el calor consistió en el movimiento aleatorio de las partes constituyentes de la materia - una opinión compartida por Isaac Newton , aunque sería más de un siglo hasta que esto era generalmente aceptado. En 1807, Thomas Young fue el primero en utilizar el término "energía", en lugar de vis viva, en su sentido moderno. Gustave-Gaspard Coriolis describió " energía cinética "en 1829 en su sentido moderno, y en 1853, William Rankine acuñó el término " energía potencial. "Se argumentó durante algunos años si la energía era una sustancia (el calórica) o simplemente una cantidad física, como impulso .

Él amalgamó todas estas leyes en las leyes de la termodinámica , que ayudaron en el rápido desarrollo de las explicaciones de los procesos químicos que utilizan el concepto de energía por Rudolf Clausius, Josiah Willard Gibbs y Walther Nernst. También dio lugar a una formulación matemática del concepto de entropía por Clausius, y de la introducción de leyes de energía radiante por Jožef Stefan.

Durante una conferencia 1961 para estudiantes de pregrado en la Instituto de Tecnología de California, Richard Feynman , un profesor de física celebrado y Premio Nobel, dijo lo siguiente sobre el concepto de energía:

Desde 1918 se ha sabido que la ley de conservación de la energía es la consecuencia directa de la matemática simetría de traslación de la cantidad conjugado a la energía, a saber el tiempo . Es decir, la energía se conserva debido a que las leyes de la física no distinguen entre los diferentes momentos del tiempo (ver El teorema de Noether).

Energía en diversos contextos desde el comienzo del universo

El concepto de energía y sus transformaciones es útil para explicar y predecir la mayoría de los fenómenos naturales. La dirección de las transformaciones de la energía (qué tipo de energía se transforma en lo que otro tipo) se describe a menudo por la entropía (igual energía se extendió entre todos los disponibles grados de libertad) consideraciones, ya que en la práctica todas las transformaciones de energía se permiten en una escala pequeña, pero ciertas transformaciones más grandes no se permiten porque es estadísticamente poco probable que la energía o la materia se mueven al azar en las formas más concentradas o espacios más pequeños.

El concepto de energía se utiliza a menudo en todos los campos de la ciencia.

En la química , las diferencias de energía entre sustancias determinar si, y en qué medida, se pueden convertir en otras sustancias o reaccionar con otras sustancias.

En biología , los enlaces químicos se rompen y se hicieron durante procesos metabólicos, y los cambios asociados en la energía disponible se estudian en el subcampo de bioenergética. La energía se almacena a menudo por las células en forma de sustancias tales como hidratos de carbono moléculas (incluyendo azúcares) y lípidos , que liberan energía cuando se hace reaccionar con oxígeno .

En geología y meteorología, la deriva continental, cordilleras , volcanes y los terremotos son fenómenos que se pueden explicar en términos de transformaciones de energía en el interior de la Tierra. Mientras que los fenómenos meteorológicos como el viento , la lluvia , granizo, nieve , rayos, tornados y huracanes , son resultado de las transformaciones de energía provocados por la energía solar en el planeta Tierra.

En la cosmología y la astronomía los fenómenos de estrellas , nova, supernova , cuásares y Los estallidos de rayos gamma son de mayor producción del universo transformaciones de la energía de la materia. Todos fenómenos estelares (incluyendo la actividad solar) son impulsados por diversos tipos de transformaciones de energía. Energía en estas transformaciones es ya sea desde el colapso gravitacional de la materia (generalmente hidrógeno molecular) en varias clases de objetos astronómicos (estrellas, agujeros negros, etc.), o de la fusión nuclear (de elementos más ligeros, principalmente hidrógeno).

Transformaciones de energía en el universo con el tiempo se caracterizan por diversos tipos de energía potencial que ha estado disponible desde el Big Bang , siendo posteriormente "liberado" (transformado a los más activos de energía, como la energía cinética o radiante), cuando un mecanismo de disparo es disponible.

Ejemplos conocidos de tales procesos incluyen la desintegración nuclear, en el que se libera la energía que fue originalmente "almacenado" en isótopos pesados (como el uranio y torio ), por nucleosíntesis, un proceso que en última instancia, utiliza la energía potencial gravitatoria liberada del colapso gravitacional de supernovas, de almacenar energía en la creación de estos elementos pesados antes de ser incorporados en el sistema solar y la Tierra. Esta energía se dispara y se suelta en nuclear bombas de fisión. En un proceso más lento, el calor de desintegración nuclear de estos átomos en el núcleo de la Tierra libera calor, que a su vez puede levantar montañas, a través de orogénesis. Esta elevación lenta representa una especie de gravedad potencial de almacenamiento de energía de la energía térmica, que puede despacharse a la energía cinética activo en deslizamientos de tierra, después de un evento desencadenante. Los terremotos también liberan almacenan energía potencial elástica en las rocas, una tienda que se ha producido en última instancia, de las mismas fuentes de calor radiactivos. Así, según los conocimientos actuales, eventos familiares, tales como deslizamientos de tierra y terremotos liberan energía que ha sido almacenada en forma de energía potencial en el campo gravitatorio de la Tierra o de deformación elástica (energía potencial mecánica) en las rocas; pero antes de esto, representa la energía que se ha almacenado en átomos pesados desde el colapso de estrellas de larga destruido creado estos átomos.

En otra cadena similar de transformaciones que comienza en los albores del universo, la fusión nuclear del hidrógeno en el Sol libera otra tienda del potencial energético que fue creado en el momento del Big Bang . En ese momento, según la teoría, el espacio se expandió y el universo se enfrió demasiado rápido para el hidrógeno para unirse completamente en elementos más pesados. Esto significaba que el hidrógeno representa una reserva de energía potencial que puede ser liberada por de fusión. Tal proceso de fusión se activa por el calor y la presión generada a partir de colapso gravitacional de nubes de hidrógeno cuando producen estrellas, y parte de la energía de fusión se transforma entonces en la luz del sol. Tal luz del sol de nuestro Sol puede volver a ser almacenado en forma de energía potencial gravitatoria después de que golpea la Tierra, como (por ejemplo) el agua se evapora de los océanos y se deposita sobre las montañas (en el que, después de ser liberado en una presa hidroeléctrica, que puede ser utilizado para conducir turbina / generador para producir electricidad). La luz solar también impulsa todo fenómeno climático, incluyendo eventos como los provocados por un huracán, cuando grandes zonas inestables del océano caliente, calienta durante meses, renunciar a parte de su energía térmica suddently para alimentar a los pocos días de movimiento de aire violento. La luz solar también se es capturado por las plantas como la energía potencial químico, cuando el dióxido de carbono y agua se convierten en una combinación combustable de hidratos de carbono, lípidos, y oxígeno. La liberación de esta energía en forma de calor y de la luz puede ser provocada repentinamente por una chispa, en un incendio forestal; o puede estar disponible más lentamente para los animales o el metabolismo humano, cuando se ingieren estas moléculas, y catabolismo se desencadena por la acción enzimática. A través de todas estas cadenas de Transformación, la energía potencial almacenada en el momento de la Big Bang es posteriormente liberado por los eventos intermedios, a veces se almacena en un número de maneras en el tiempo entre versiones, como la energía más activo. En todos estos eventos, un tipo de energía se convierte en otros tipos de energía, como el calor.

En cuanto a las aplicaciones del concepto de energía

Energía está sujeta a una estricta la ley de conservación global; es decir, cada vez que se mide (o) calcula la energía total de un sistema de partículas cuyas interacciones no dependen explícitamente del tiempo, se encuentra que la energía total del sistema se mantiene siempre constante.

• La energía total de una sistema se puede subdividir y clasificado de diversas maneras. Por ejemplo, a veces es conveniente distinguir energía potencial (que es una función de sólo coordenadas) de energía cinética (que es una función del tiempo de coordenadas derivados solamente). También puede ser conveniente distinguir energía gravitacional, energía eléctrica, energía térmica, y otras formas. Estas clasificaciones se superponen; por ejemplo energía térmica por lo general consiste en parte y en parte de la cinética de la energía potencial.
• La transferencia de energía puede tomar varias formas; ejemplos conocidos incluyen el trabajo, el flujo de calor, y de advección, como se explica a continuación .
• La palabra "energía" también se utiliza fuera de la física de muchas maneras, que pueden conducir a la ambigüedad e inconsistencia. La terminología vernácula no es coherente con la terminología técnica. Por ejemplo, el importante anuncio de servicio público, "Por favor, conservar la energía" utiliza nociones vernáculas de "conservación" y "energía" que tienen sentido en su propio contexto, pero que son totalmente incompatibles con las nociones técnicas de "conservación" y "energía" ( tal como se utilizan en la ley de conservación de la energía).

En energía física clásica se considera una cantidad escalar, la conjugado canónica a tiempo . En la relatividad especial de energía es también un escalar (aunque no es un Escalar Lorentz sino un componente de tiempo de la energía-momento 4-vector). En otras palabras, la energía es invariante con respecto a rotaciones de espacio, pero no invariante con respecto a rotaciones de espacio-tiempo (= aumenta).

La transferencia de energía

Dado que la energía es estrictamente conservada y también se conserva de forma local (dondequiera que se puede definir), es importante recordar que, por definición, de la energía de la transferencia de energía entre el "sistema" y las regiones adyacentes es el trabajo. Un ejemplo conocido es el trabajo mecánico . En casos sencillos esto se escribe como:

(1)

si no hay otros procesos de transferencia de energía implicados. Aquí es la cantidad de energía transferida, y representa el trabajo realizado sobre el sistema.

Más en general, la transferencia de energía se puede dividir en dos categorías:

(2)

donde representa el flujo de calor en el sistema.

Hay otras formas en las que un sistema abierto puede ganar o perder energía. Si la masa se cuenta como la energía (como en muchos problemas relativistas) entonces debe contener un término de masa perdido o ganado. En los sistemas químicos, la energía puede ser añadido a un sistema por medio de la adición de sustancias con diferentes potenciales químicos, que luego se extraen los potenciales (ambos de estos procesos se ilustran por alimentando un auto, un sistema que gana en energía de ese modo, sin la adición de cualquiera trabajo o calor). Winding un reloj sería la adición de energía a un sistema mecánico. Estos términos se pueden añadir a la ecuación anterior, o por lo general se pueden subsumir en una cantidad llamada "término de suma de energía ", Que se refiere a cualquier tipo de energía transportada sobre la superficie de un volumen de volumen de control o sistema. Los ejemplos pueden ser vistos anteriormente, y muchos otros se pueden imaginar (por ejemplo, la energía cinética de una corriente de partículas entrar en un sistema, o energía de un rayo láser se suma a la energía del sistema, sin que ninguna de ser ya sea el trabajo a realizarse o se añade al calor, en los sentidos clásicos).

(3)

Donde E en esta ecuación general representa otros términos energéticos advectada adicionales no incluidas en el trabajo realizado en un sistema, o el calor añadido.

La energía también se transfiere de energía potencial ( ) A la energía cinética ( ) Y luego de vuelta a la energía potencial constante. Esto se conoce como la conservación de la energía. En este sistema cerrado, la energía no puede ser creada o destruida, por lo que la energía inicial y la final de energía será igual a la otra. Esto se puede demostrar por el siguiente:

La ecuación puede entonces simplificarse aún más desde (Masa por la aceleración debido a los tiempos de gravedad la altura) y (Veces y media la masa por la velocidad al cuadrado). Entonces la cantidad total de energía se puede encontrar mediante la adición de .

Energía y las leyes del movimiento

........................................ Jjj

El hamiltoniano

La energía total de un sistema a veces se llama la Hamilton, después de William Rowan Hamilton. Las ecuaciones clásicas del movimiento pueden escribirse en términos del hamiltoniano, incluso para sistemas altamente complejos o abstractos. Estas ecuaciones clásicas tienen análogos notablemente directos en la mecánica cuántica no relativista.

El Lagrange

Otro concepto relacionado con la energía se llama Lagrange, después Joseph Louis Lagrange . Esto es aún más fundamental que el de Hamilton, y se puede utilizar para derivar las ecuaciones de movimiento. En la física no relativista, el lagrangiano es la energía cinética menos energía potencial.

Por lo general, el formalismo de Lagrange es matemáticamente más conveniente que el de Hamilton para sistemas no-conservadores (como los sistemas con fricción).

Energía y termodinámica

Energía interna

Interior de la energía - la suma de todas las formas microscópicas de energía de un sistema. Está relacionada con la estructura molecular y el grado de actividad molecular y puede ser vista como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas; que comprende los siguientes tipos de energía:

Las leyes de la termodinámica

De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , el trabajo puede ser totalmente convertida en calor , pero no a la versa.This es una consecuencia matemática de la mecánica estadística . La primera ley de la termodinámica simplemente afirma que la energía se conserva, y que el calor se incluye como una forma de transferencia de energía. Un corolario de uso común de la primera ley es que para un "sistema" con sujeción únicamente a fuerzas de presión y de transferencia de calor (por ejemplo, un cilindro lleno de gas), el cambio diferencial en la energía del sistema (con una ganancia en energía significado por una cantidad positiva) está dada por:

,

donde el primer término de la derecha es la transferencia de calor en el sistema, se define en términos de la temperatura T y la entropía S (en la que la entropía aumenta y el cambio d S es positivo cuando el sistema se calienta); y el último término en el lado derecho se identifica como "trabajo" realizado en el sistema, donde la presión es P y el volumen V (los resultados de signos negativos ya que se necesita la compresión del sistema para hacer que trabajen en ella, de modo que el cambio de volumen d V es negativo cuando el trabajo se realiza en el sistema). Aunque esta ecuación es el ejemplo de libro de texto estándar de conservación de la energía en la termodinámica clásica, es altamente específico, ignorando todos los químicos, eléctrica, nuclear, y las fuerzas gravitacionales, efectos tales como advección de cualquier forma de energía que no sea el calor, y porque contiene un término que depende de la temperatura. La declaración más general de la primera ley - es decir, la conservación de la energía - es válido incluso en situaciones en las que la temperatura es indefinible.

La energía se expresa a veces como:

,

que es insatisfactoria porque no puede existir ninguna función del estado termodinámicas W o Q que son significativos en el lado derecho de esta ecuación, excepto quizás en casos triviales.

Equipartición de la energía

La energía de un mecánico oscilador armónico (una masa en un resorte) es alternativamente cinética y potencial. En dos puntos en la oscilación ciclo es enteramente cinética, y de forma alternativa en otros dos puntos es totalmente potencial. A lo largo de todo el ciclo, o lo largo de muchos ciclos de energía neta es por lo tanto igualmente dividido entre cinética y potencial. Se llama principio de equipartición - energía total de un sistema con muchos grados de libertad es igualmente dividida entre todos estos grados de libertad.

Este principio es de vital importancia para la comprensión del comportamiento de una cantidad muy relacionado con la energía, llamada entropía . La entropía es una medida de la uniformidad de una distribución de la energía entre las partes de un sistema. Este concepto también se relaciona con la segunda ley de la termodinámica , que básicamente establece que cuando un sistema aislado se da más grados de libertad (= se da nueva disponible estados de energía que son los mismos que los estados existentes), entonces la energía se extiende sobre todos los títulos disponibles por igual, sin distinción entre los "nuevos" y "viejos" grados.

Osciladores, fonones y fotones

En un conjunto (colección conectado) de los osciladores no sincronizados, la energía media se extiende por igual entre los tipos de cinética y potencial.

En un sólido, energía térmica (a menudo denominado libremente como el contenido de calor) puede ser descrito con precisión por un conjunto de fonones térmicos que actúan como osciladores mecánicos. En este modelo, la energía térmica es igualmente cinética y potencial.

En un gas ideal, el potencial de interacción entre las partículas es esencialmente la función delta que almacena ninguna energía: por lo tanto, toda la energía térmica es cinética.

Debido a un oscilador eléctrico (circuito LC) es análogo a un oscilador mecánico, su energía debe ser, en promedio, igual cinética y potencial. Es totalmente arbitraria si la energía magnética se considera cinética y la energía potencial eléctrico considerado, o viceversa. Es decir, ya sea el inductor es análoga a la masa, mientras que el condensador es análoga a la primavera, o viceversa.

1. Por extensión de la línea anterior de pensamiento, en el espacio libre del campo electromagnético se puede considerar un conjunto de osciladores, lo que significa que energía de radiación puede considerarse igualmente potencial y cinética. Este modelo es útil, por ejemplo, cuando la función de Lagrange electromagnético es de interés primordial y se interpreta en términos de energía potencial y cinética.

1. Por otro lado, en la ecuación clave , El aporte se llama la energía en reposo, y todas las demás contribuciones a la energía se llama energía cinética. Para una partícula que tiene masa, esto implica que la energía cinética es a una velocidad mucho menor que c, como se puede comprobar por la escritura √ y la ampliación de la raíz cuadrada de orden más bajo. Por esta línea de razonamiento, la energía de un fotón es enteramente cinética, porque el fotón no tiene masa y no tiene energía en reposo. Esta expresión es útil, por ejemplo, cuando la relación de energía-versus-impulso es de interés primordial.

Los dos análisis son totalmente coherentes. Los grados eléctricos y magnéticos de libertad en el punto 1 son transversales a la dirección de movimiento, mientras que la velocidad en el punto 2 es a lo largo de la dirección del movimiento. Para partículas no relativistas estas dos nociones de potencial frente a la energía cinética son numéricamente iguales, por lo que la ambigüedad es inofensivo, pero no tanto para partículas relativistas.

Trabajo y trabajo virtual

El trabajo es más o menos fuerza por distancia. Pero más precisamente, es

Esto nos dice que el trabajo ( ) Es igual a la integral (a lo largo de un cierto camino) de la fuerza ; para más detalles ver el trabajo mecánico artículo.

Trabajar y por lo tanto la energía es enmarcar dependiente. Por ejemplo, considere una bola que es golpeada por un bate. En el marco de referencia del centro de masas, el murciélago no realiza trabajo sobre el balón. Pero, en el marco de referencia de la persona manejando el bate, un considerable trabajo se hace con el balón.

Mecanica cuantica

En energía mecánica cuántica se define en términos de la operador de energía como una derivada en el tiempo de la función de onda. La Ecuación de Schrödinger equivale operador de energía para la energía total de una partícula o un sistema. Por lo tanto, puede considerarse como una definición de medición de la energía en la mecánica cuántica. La ecuación de Schrödinger describe el espacio y tiempo la dependencia de la función de onda de los sistemas cuánticos. La solución de esta ecuación para el sistema de atado es discreto (un conjunto de estados permitidos, cada una caracterizada por una nivel de energía) que se traduce en el concepto de cuantos. En la solución de la ecuación de Schrödinger para cualquier oscilador (vibrador) y para la onda electromagnética en el vacío, los estados de energía resultantes se relaciona con la frecuencia por el Planck ecuación (Donde es el La constante de Planck y la frecuencia). En el caso de la onda electromagnética estos estados de energía se llaman cuantos de luz o fotones .

Relatividad

En el cálculo de la energía cinética (= trabajar para acelerar una masa de cero velocidad en cierta velocidad finita) relativista - utilizando Transformaciones de Lorentz en lugar de la mecánica de Newton , Einstein descubrieron inesperada subproducto de estos cálculos para ser un término de energía que no desaparece a velocidad cero. Él lo llamó descansar energía masa - energía que cada masa debe poseer incluso al estar en reposo. La cantidad de energía es directamente proporcional a la masa del cuerpo:

,

donde

m es la masa,

c es la velocidad de la luz en el vacío,

E es la energía de la masa en reposo.

Por ejemplo, considere la posibilidad de electrones - aniquilación de positrones, en el que se destruye la masa en reposo de las partículas individuales, pero el equivalente inercia del sistema de las dos partículas (su masa invariante) permanece (ya que toda la energía se asocia con la masa), y esta inercia y masa invariante se lleva fuera por los fotones que son individualmente sin masa, sino como un sistema retener su masa. Este es un proceso reversible - el proceso inverso se denomina creación de pares - en el que se crea la masa en reposo de las partículas de energía de dos (o más) aniquilando fotones.

En la relatividad general, el tensor de tensión-energía sirve como término fuente para el campo gravitacional, en analogía aproximada a la forma en masa sirve como término fuente en la aproximación newtoniana no relativista.

No es raro escuchar que la energía es "equivalente" a la masa. Sería más exacto decir que cada energía tiene inercia y la gravedad equivalente, y porque la masa es una forma de energía, a continuación, la masa también tiene inercia y la gravedad asociado con él.

Medición

No hay una medida absoluta de la energía, porque la energía se define como el trabajo que uno de ellos no (o puede hacer) en otro. Por lo tanto, sólo de la transición de un sistema de un estado a otro pueden ser definidas y así medida.

Métodos

Los métodos para la medición de energía a menudo despliegan métodos para la medición de los conceptos aún más fundamentales de la ciencia, es decir, la masa , la distancia , la radiación, la temperatura , el tiempo , la carga eléctrica y corriente eléctrica.

La Calorímetro - Un instrumento utilizado por los físicos para medir la energía

Convencionalmente la técnica más empleada es calorimetría, un termodinámica técnica que se basa en la medición de la temperatura utilizando una termómetro o de intensidad de la radiación utilizando una bolómetro.

Unidades

A lo largo de la historia de la ciencia, la energía se ha expresado en varias unidades diferentes, tales como ergios y calorías. En la actualidad, la unidad aceptada de medida de la energía es la Unidad SI de energía, la Joule.

Las formas de energía

El calor , una forma de energía, es en parte energía potencial y en parte de la energía cinética .

La mecánica clásica distingue entre energía potencial, que es una función de la posición de un objeto, y la energía cinética , que es una función de su movimiento . Tanto la posición y el movimiento son en relación con una marco de referencia, que se debe especificar: esto es a menudo (y originalmente) un punto fijo arbitrario en la superficie de la Tierra, el marco de referencia terrestre. Algunos autores introductorias intentan separar todas las formas de energía, ya sea en cinética o potencial: esto no es incorrecto, pero tampoco es claro que se trata de una simplificación real, ya que Feynman señala:

Estas nociones de energía potencial y cinética dependen de una noción de escala de longitud. Por ejemplo, se puede hablar de potencial macroscópica y la energía cinética, que no incluyen potencial térmico y la energía cinética. También lo que se llama energía potencial químico (abajo) es una noción macroscópico, y un examen más detallado muestra que es realmente la suma de la energía potencial y cinética en la escala atómica y subatómica. Observaciones similares se aplican a la energía nuclear "potencial" y la mayoría de otras formas de energía. Esta dependencia de la escala de longitud no es problemático si se desacoplan los diferentes escalas de longitud, como es a menudo el caso ... pero la confusión puede surgir cuando diferentes escalas de longitud están acoplados, por ejemplo cuando la fricción convierte trabajo macroscópica en energía térmica microscópico.

Energía potencial

La energía potencial, símbolos E _P, V o Φ, se define como el trabajo realizado en contra de una fuerza dada (= trabajo de la fuerza dada con signo menos) en el cambio de la posición de un objeto con respecto a una posición de referencia (a menudo llevado a ser infinito separación). Si F es la fuerza y s es la desplazamiento,

con el punto que representa el producto escalar de los dos vectores .

El nombre de la energía "potencial" significó originalmente la idea de que la energía fácilmente podría ser transferida como trabajo, al menos en un sistema idealizado (proceso reversible, véase más adelante). Esto no es completamente cierto para cualquier sistema real, pero es a menudo una primera aproximación razonable en la mecánica clásica.

La ecuación general anterior se puede simplificar en un número de casos comunes, en particular cuando se trata de la gravedad o con fuerzas elásticas .

Energía potencial gravitatoria

La fuerza gravitacional cerca de la superficie de la Tierra varía muy poco con la altura, h, y es igual a la masa , m, multiplicado por el aceleración de la gravedad, g = 9,81 m / s². En estos casos, la energía potencial gravitatoria está dada por

Una expresión más general para la energía potencial debido a Gravitación newtoniana entre dos cuerpos de masas m ₁ y m _2, útil en astronomía , es

,

donde r es la separación entre los dos cuerpos y G es el constante gravitacional, 6.6742 (10) × 10 ^-11 m³kg ^-1 s ^-2. En este caso, el punto de referencia es la separación infinita de los dos cuerpos.

Energía potencial elástica

Mientras la pelota cae libremente bajo la influencia de la gravedad , se acelera su descenso y la inicial energía potencial que convierte en energía cinética . En el impacto con una superficie dura la pelota se deforma, conviertiendo la energía cinética en energía potencial elástica. Cuando la pelota salta nuevamente, la energía se convierte otra vez en energía cinética y luego, como la altura de la bola re-ganancias en energía potencial. Las pérdidas de energía debidas a no elástico deformación y la resistencia del aire hacen que cada bote sea más bajo que el anterior.

Energía potencial elástica se define como una obra necesaria para comprimir (o ampliar) un resorte. La fuerza, F, en un primavera o cualquier otro sistema que obedece La ley de Hooke es proporcional a la extensión o compresión, x,

donde k es el constante de fuerza del resorte en particular (o sistema). En este caso, el trabajo se convierte calculado

.

La ley de Hooke es una buena aproximación para el comportamiento de los enlaces químicos en condiciones normales, es decir, cuando no se rompen o se forman.

Energía cinética

La energía cinética, símbolos E _k, T o K, es el trabajo necesario para acelerar un objeto a una velocidad determinada. De hecho, el cálculo de este trabajo se obtiene fácilmente la siguiente:

A velocidades cercanas a la velocidad de la luz , c, este trabajo debe ser calculado usando Transformaciones de Lorentz, que se traduce en lo siguiente:

Esta ecuación se reduce a la anterior que, en pequeña (en comparación con c) velocidad. Un subproducto matemático de este trabajo (que se ve inmediatamente en la última ecuación) es que incluso en reposo una masa tiene la cantidad de energía igual a:

Esta energía se llama así descansar energía en masa.

Energía térmica

La definición general de la energía térmica, símbolos Q o Q, es también problemático. Una definición práctica para pequeñas transferencias de calor es

donde C es la _v capacidad de calor del sistema. Esta definición se producirá un error si el sistema sufre un fase de transición de, por ejemplo, si el hielo se derrite al agua, como en estos casos el sistema puede absorber calor sin aumentar su temperatura. En los sistemas más complejos, es preferible utilizar el concepto de energía interna en lugar de la de energía térmica (ver La energía química a continuación ).

A pesar de los problemas teóricos, la definición anterior es útil en la medición experimental de los cambios de energía. En una amplia variedad de situaciones, es posible utilizar la energía liberada por un sistema para elevar la temperatura de otro objeto, por ejemplo un baño de agua. También es posible medir la cantidad de requiere energía eléctrica para elevar la temperatura del objeto en la misma cantidad. La calorías se definió originalmente como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua por 1 ° C (aproximadamente 4,1855 J, aunque la definición cambió más adelante), y launidad térmica británica se define como la energía necesaria para calentar ungalón (Reino Unido) de agua por 1° F (más tarde fija como 1.055,06 J).

Energía eléctrica

La energía potencial eléctrica de determinada configuración de los cargos se define como el trabajo que se debe hacer frente a la fuerza de Coulomb para reorganizar los cargos de la separación infinita a esta configuración (o el trabajo realizado por la fuerza de Coulomb separar los cargos de esta configuración hasta el infinito). Por dos puntos-como cargas Q ₁ y Q ₂ a una distancia r este trabajo, y por lo tanto la energía potencial eléctrica es igual a:

donde ε ₀ es la constante eléctrica de un vacío, 10 ⁷ / 4π c ₀ ² o 8,854188 ... × 10 ^-12 F / m. Si la carga se acumula en un condensador (de capacitancia C ), la configuración de referencia se selecciona generalmente de no haber una separación infinita de cargos, pero viceversa - cargas en una muy estrecha proximidad entre sí (por lo que no es cero carga neta en cada placa de un condensador). En este caso el trabajo y por lo tanto la energía potencial eléctrico se convierte

Si una corriente eléctrica pasa a través de un resistor, la energía eléctrica se convierte en calor; si la corriente pasa a través de un aparato eléctrico, parte de la energía eléctrica se convierte en otras formas de energía (aunque algunos siempre se perderá en forma de calor). La cantidad de energía eléctrica debido a una corriente eléctrica se puede expresar en un número de diferentes maneras:

donde T es la diferencia de potencial eléctrico (en voltios ), Q es la carga (en culombios), I es la corriente (en amperios), t es el tiempo durante el cual la corriente fluye (en segundos), P es la potencia (en vatios) y R es la resistencia eléctrica (en ohmios ). La última de estas expresiones es importante en la medición práctica de la energía, como diferencia de potencial, la resistencia y el tiempo se pueden medir con una precisión considerable.

La energía magnética

No hay una diferencia fundamental entre la energía magnética y la energía eléctrica: los dos fenómenos están relacionados por las ecuaciones de Maxwell . La energía potencial de un imán de momento magnético m en un campo magnético B se define como el trabajo de la fuerza magnética (en realidad de magnético de par) en la re-alineación del vector del momento dipolar magnético, y es igual:

mientras que la energía almacenada en uninductor (deinductancia L) cuando la corrienteIpasa a través de ella es

.

Esta segunda expresión constituye la base parasuperconductor de almacenamiento de energía magnética.

Campos electromagnéticos

Cálculo detrabajonecesario para crear un campo eléctrico o magnético en unidad de volumen (por ejemplo, en un condensador o un inductor) los resultados en los campos eléctricos y magnéticosdensidades de energía:

y

,

en unidades del SI.

La radiación electromagnética, como las microondas, la luz visible o rayos gamma, representa un flujo de energía electromagnética. La aplicación de las expresiones anteriores a los componentes magnéticos y eléctricos de campo electromagnético tanto la densidad volumétrica y el flujo de energía en e / m campo puede ser calculado. La resultante vector de Poynting, que se expresa como

en unidades del SI, da la densidad del flujo de energía y su dirección.

La energía de la radiación electromagnética se cuantifica (tiene discretos niveles de energía). La separación entre estos niveles es igual a

donde h es la Constante de Planck, 6.6260693 (11) × 10 ^-34 Js, y ν es la frecuencia de la radiación. Esta cantidad de energía electromagnética generalmente se llama un fotón. Los fotones que componen la luz visible tienen energías de 270-520 yJ, equivalente a 160 a 310 kJ / mol, la fuerza de débiles enlaces químicos .

Energía química

La energía química es la energía debido a las asociaciones de los átomos en moléculas y varios otros tipos de agregados de la materia . Puede ser definido como un trabajo realizado por fuerzas eléctricas durante la re-disposición de cargas eléctricas, electrones y protones, en el proceso de agregación. Si la energía química de un sistema disminuye durante una reacción química, se transfiere a los alrededores en alguna forma de energía (a menudo de calor ); Por otro lado, si la energía química de un sistema aumenta como resultado de una reacción química - es mediante la conversión de otra forma de energía de los alrededores. Por ejemplo,

cuando dosde hidrógenoátomos reaccionan para formar una molécula de dihidrógeno, la energía químicadisminuyepor 724 ZJ (laenergía de enlace del enlace H-H);

cuando el electrón se elimina completamente de un átomo de hidrógeno, formando un ión de hidrógeno (en la fase de gas), la energía químicase incrementapor 2,18 aJ (laenergía de ionización del hidrógeno).

Es común para citar los cambios en la energía química para unamol de la sustancia en cuestión: los valores típicos para el cambio en la energía química molar durante una reacción química gama de decenas a cientos de kJ / mol.

La energía química como se definió anteriormente también se conoce por los químicos como la energía interna, U : Técnicamente, esto se mide por mantener el volumen del sistema constante. Sin embargo, la química más práctica se lleva a cabo a presión constante y, si los cambios de volumen durante la reacción (por ejemplo, un gas se da apagado), una corrección deben aplicarse para tener en cuenta el trabajo realizado por o en la atmósfera para obtener la entalpía , H :

ΔH= ΔU+pΔV

Una segunda corrección, por el cambio en laentropía,S, también debe llevarse a cabo para determinar si una reacción química se llevará a cabo o no, dando a laenergía libre de Gibbs,G:

ΔG= ΔH-TΔS

Estas correcciones son a veces insignificante, pero a menudo no (especialmente en reacciones que implican los gases).

Desde la revolución industrial , la quema de carbón , petróleo, gas natural o productos derivados de ellos ha sido una transformación social significativa de la energía química en otras formas de energía. la energía "consumo" (uno debe hablar realmente de "transformación de la energía") de una sociedad o país es citado a menudo en referencia a la energía media liberada por la combustión de estos combustibles fósiles :

1 tonelada equivalente de carbón (TCE) = 29 GJ

1 tonelada de equivalente de petróleo (tep) = 41,87 GJ

Sobre la misma base, un tanque lleno de gasolina (45 litros, 12 galones) es equivalente a aproximadamente 1,6 GJ de energía química. Otra unidad basada químicamente de medida de la energía es la "tonelada de TNT ", tomado como 4.184 GJ. Por lo tanto, la quema de una tonelada de comunicados de petróleo cerca de diez veces más energía que la explosión de una tonelada de TNT: afortunadamente, la energía se libera por lo general de una manera más lenta, más controlada.

Ejemplos sencillos de energía química son las baterías y alimentos. Cuando usted come la comida se digiere y se convirtió en energía química que puede ser transformado en energía cinética.

Energía nuclear

Energía potencial Nuclear , junto con la energía potencial eléctrico, proporciona la energía liberada de la fisión nuclear y los procesos de fusión nuclear. El resultado de estos dos procesos son los núcleos en los que las fuerzas nucleares fuertes unen partículas nucleares con más fuerza y de cerca. fuerzas nucleares débiles (diferentes de las fuerzas fuertes) proporcionan la energía potencial de ciertos tipos de desintegración radiactiva, como desintegración beta. La energía liberada en los procesos nucleares es tan grande que el cambio en la masa relativista (después de la energía se ha eliminado) puede ser tanto como varias partes por mil.

Partículas nucleares ( nucleones) como los protones y los neutrones están no destruidos (ley de conservación del número bariónico) en los procesos de fisión y de fusión. Algunas partículas más ligeras se pueden crear o destruir (ejemplo: menos beta y beta más decadencia, o captura de electrones decaimiento), pero estos procesos menores no son importantes para la inmediata liberación de energía en la fisión y la fusión. Más bien, la fisión y la liberación de energía de fusión cuando colecciones de bariones se vuelven más fuertemente unidos, y es la energía asociada con una fracción de la masa de los nucleones (pero no las partículas enteras) que aparece como el calor y la radiación electromagnética generada por las reacciones nucleares . Este calor y la radiación conserva la masa "desaparecidos", pero la masa faltan sólo porque se escapa en forma de calor y luz, que conservan la masa y llevar a cabo fuera del sistema en el que no se mide. La energía del Sol , también llamada energía solar , es un ejemplo de esta forma de conversión de energía. En el Sun , el proceso de fusión de hidrógeno convierte a unos 4 millones de toneladas de materia solar por segundo a la luz, que es irradiada al espacio, pero durante este proceso, el número de protones y neutrones en total en el sol no cambia. En este sistema, la luz misma retiene el equivalente de inercia de esta masa, y de hecho la propia masa (como un sistema), que representa 4 millones de toneladas por segundo de la radiación electromagnética, moviéndose en el espacio. Cada uno de los núcleos de helio que se forman en el proceso son menos masivos que los cuatro protones desde que se formaron, pero (con una buena aproximación), no hay partículas o átomos se destruyen en el proceso de convertir la energía potencial nuclear del sol en la luz.

La energía superficial

Si hay cualquier tipo de tensión en una superficie, tal como una lámina estirada de interfaces de caucho o de materia, es posible definir la energía superficial . En particular, cualquier reunión de materiales diferentes que no se mezclan dará lugar a algún tipo de tensión superficial , si hay libertad para las superficies a moverse a continuación, como se ve en , será como siempre se buscará la energía mínima superficies capilares por ejemplo.

La superficie mínima, por ejemplo, representa el más pequeño de energía posible que una superficie puede tener si su energía es proporcional al área de la superficie. Por esta razón, (abiertos) películas de jabón de pequeño tamaño son superficies mínimas (pequeño tamaño reduce los efectos de la gravedad, y la apertura impide que la presión se acumule. Tenga en cuenta que una burbuja es una superficie mínima de energía, pero no una superficie mínima por definición).

Transformaciones de energía

Una forma de energía a menudo se puede transformar fácilmente en otro con la ayuda de un device- por ejemplo, una batería, de la energía química en energía eléctrica; una presa : energía potencial gravitatoria a energía cinética de movimiento del agua (y las cuchillas de una turbina) y en última instancia a la energía eléctrica a través de un generador eléctrico. Del mismo modo, en el caso de una explosión química, energía potencial química se transforma en energía cinética y energía térmica en un tiempo muy corto. Sin embargo, otro ejemplo es el de un péndulo. En sus puntos más altos de la energía cinética es cero y la energía potencial gravitatoria está al máximo. En su punto más bajo de la energía cinética es al máximo y es igual a la disminución de energía potencial. Si uno (irrealmente) supone que no hay fricción, la conversión de energía entre estos procesos es perfecto, y el péndulo continuará oscilando siempre.

La energía puede ser convertida en materia y viceversa. La fórmula de equivalencia masa-energía E = mc ², deriva de forma independiente por Albert Einstein y Henri Poincaré, cuantifica la relación entre la masa y el resto de la energía. Desde es extremadamente grande en relación con las escalas humanas ordinarias, la conversión de masa a otras formas de energía puede liberar enormes cantidades de energía, como puede verse en los reactores nucleares y armas nucleares. Por el contrario, la masa equivalente de una unidad de energía es minúscula, por lo que una pérdida de energía de la mayoría de los sistemas es difícil de medir en peso, a menos que la pérdida de energía es muy grande. Ejemplos de transformación de la energía en la materia (partículas) se encuentran en alta energía física nuclear .

En la naturaleza, las transformaciones de la energía pueden ser fundamentalmente clasifican en dos tipos: las que son termodinámicamente reversible, y los que son termodinámicamente . irreversible La proceso reversible en termodinámica es una en la que ninguna energía se disipa en estados cuánticos vacíos disponibles en un volumen, de la que no se puede recuperar en formas más concentradas (menos estados cuánticos), sin degradación de aún más energía. Un proceso reversible es aquella en la que este tipo de disipación no sucede. Por ejemplo, la conversión de la energía de un tipo de potencial del campo a otro, es reversible, como en el sistema de péndulo descrito anteriormente. En los procesos donde se genera calor, sin embargo, los estados cuánticos de energía más baja, presente como posibles exitations en campos entre los átomos, actúan como un depósito para parte de la energía, de la que no se puede recuperar, con el fin de ser convertidos con una eficiencia del 100% en otras formas de energía. En este caso, la energía debe permanecer parcialmente en forma de calor, y no puede ser completamente recuperada como energía utilizable, excepto al precio de un aumento en algún otro tipo de aumento-calor como en el trastorno en estados cuánticos, en el universo (tal como una expansión de la materia, o una asignación al azar en un cristal).

A medida que el universo evoluciona en el tiempo, más y más de su energía queda atrapada en estados irreversibles (es decir, como el calor u otros tipos de incrementos en el trastorno). Esto se ha denominado el termodinámico inevitable muerte térmica del universo. En esto calentar la muerte la energía del universo no cambia, pero la fracción de la energía que está disponible para hacer el trabajo, o ser transformado a otras formas utilizables de energía, crece menos y menos.

Ley de conservación de la energía

Energía está sujeta a la ley de la conservación de la energía . De acuerdo con esta ley, la energía ni se crea (producido) ni se destruye a sí mismo. Sólo puede ser transformada.

La mayoría de los tipos de energía (con energía gravitacional siendo una notable excepción) también están sujetos a las estrictas leyes de conservación de la zona, también. En este caso, la energía sólo puede ser intercambiada entre las regiones adyacentes del espacio, y todos los observadores están de acuerdo en cuanto a la densidad volumétrica de energía en cualquier espacio dado. También hay un derecho global de conservación de la energía, que indica que la energía total del universo no puede cambiar; este es un corolario de la ley local, pero no al revés. La conservación de la energía es la consecuencia matemática de la simetría de traslación de tiempo (es decir, la indistinción de intervalos de tiempo tomadas en diferentes tiempos) - ver El teorema de Noether.

De acuerdo a ley de conservación de energía el flujo de entrada total de energía en un sistema debe ser igual al flujo de salida total de energía del sistema, más el cambio en la energía contenida dentro del sistema.

Esta ley es un principio fundamental de la física. Se desprende de lo simetría traslacional de tiempo , una característica de la mayoría de los fenómenos por debajo de la escala cósmica que los hace independientes de su ubicación en el momento de coordenadas. Dicho de otra manera, ayer, hoy y mañana son físicamente indistinguibles.

De este modo porque la energía es la cantidad que es conjugado canónica a tiempo, es imposible definir la cantidad exacta de energía durante cualquier intervalo de tiempo definido - por lo que es imposible aplicar la ley de conservación de la energía. Esto no debe ser considerada como una "violación" de la ley. Sabemos que la ley aún se mantiene, debido a una sucesión de cortos períodos de tiempo no se acumule cualquier violación de la conservación de la energía.

En la mecánica cuántica de la energía se expresa mediante el hamiltoniano operador. En cualquier escalas de tiempo, la incertidumbre en la energía es por

que es similar en su forma a la de Heisenbergprincipio de incertidumbre (pero no realmente matemáticamente equivalente a la misma, ya queHyTno son dinámicamente variables conjugadas, ni en clásica ni en la mecánica cuántica).

Enla física de partículas, esta desigualdad permite una comprensión cualitativa departículas virtuales que llevanel impulso, el intercambio por el cual y con partículas reales, es responsable de la creación de todas las conocidasfuerzas fundamentales (conocido más precisiónlas interacciones fundamentales).fotones virtuales (que son simplemente más bajo de la mecánica cuánticaestado de energía delos fotones) también son responsables de la interacción electrostática entrecargas eléctricas(que se traduce enla ley de Coulomb), porespontánea descomposición radiactiva de los estados atómicos y nucleares salido, para lafuerza de Casimir, porlas fuerzas de van der Waals de bonosy algunos otros fenómenos observables.

Energía y de la vida

Cualquier organismo vivo se basa en una fuente externa de energía de radiación del Sol en el caso de las plantas verdes; energía química de alguna forma en el caso de los animales de poder crecer y reproducirse. Los diarios 1500-2000 Calorías (6-8 MJ) recomendados para un adulto humano se toman como una combinación de moléculas de oxígeno y de los alimentos, estos últimos en su mayoría hidratos de carbono y grasas, de las cuales la 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 las mitocondrias

C₆H₁₂O₆+ 6O₂→ 6CO₂+ 6H₂O

C₅₇H₁₁₀O₆+ 81.5O₂→ 57Co₂+ 55H₂O

y parte de la energía se utiliza para convertirel ADP enATP

ADP + HPO₄ ^2-→ ATP + H₂O

El resto de la energía química en 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 cuando dividida y se hace reaccionar con agua, se utiliza para la otra metabolismo ( en cada etapa de una ruta metabólica, un poco de energía química se convierte en calor). Sólo una pequeña fracción de la energía química original se utiliza para el trabajo:

ganar en energía cinética de un velocista durante una carrera de 100 m: 4 kJ

ganar en la energía potencial gravitatoria de un peso de 150 kg levantado a través de 2 metros: 3kJ

La ingesta de alimentos diaria de un adulto normal: 6-8 MJ

Parecería que los organismos vivos son notablemente ineficiente (en el sentido físico) en el uso de la energía que reciben (energía química o radiación), y es cierto que la mayoría de reales máquinas manejan mayores eficiencias. Sin embargo, en organismos creciente la energía que se convierte en calor sirve a un propósito de vital importancia, ya que permite que el tejido organismo a ser altamente ordenado con respecto a las moléculas que se construye a partir. La segunda ley de la termodinámica establece que la energía (y materia) tiende a ser más uniformemente extendido por todo el universo: para concentrar la energía (o materia) en un lugar específico, es necesario difundir una mayor cantidad de energía (en forma de calor) en todo el resto del universo ("los alrededores"). Organismos más simples pueden lograr mayores eficiencias energéticas que las más complejas, 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 en una ruta metabólica es la razón física detrás de la pirámide de biomasa observada en la ecología : tomar sólo el primer paso en la cadena alimentaria, de los aproximadamente 124,7 Pg / a de carbono que está fijado por la fotosíntesis , 64,3 Pg / a (52%) se utilizan para el metabolismo de las plantas verdes, es decir, reconvertidas en dióxido de carbono y el calor.