La unidad de energía

La unidades de la energia definida por el Sistema Internacional de Unidades es el julio, que se define como el trabajo realizado por una fuerza de un newton en un desplazamiento de un metro en la dirección de la fuerza, es decir, equivale a multiplicar un Newton por un metro. Existen muchas otras unidades de energía, algunas de ellas en desuso.

Nombre	Abreviatura	Equivalencia en julios
Caloría	cal	4,1855
Frigoría	fg	4.185,5
Termia	th	4.185.500
Kilovatio hora	kWh	3.600.000
Caloría grande	Cal	4.185,5
Tonelada equivalente de petróleo	Tep	41.840.000.000
Tonelada equivalente de carbón	Tec	29.300.000.000
Tonelada de refrigeración	TR	3,517/h
Electronvoltio	eV	1.602176462 × 10-19
British Thermal Unit	BTU o BTu	1.055,05585
Caballo de vapor	CVh	3,777154675 × 10-7
Ergio	erg	1 × 10-7
Pie por libra	ft × lb	1,35581795
Foot-poundal3	ft × pdl	4,214011001 × 10-11

formas de la energia

Existen diferentes formas de energía. Y por su naturaleza tenemos energia sinetica y potencial.

La potencial es la energía contenida en un cuerpo, por ejemplo: la energía humana, la del agua, del vapor, etc.
La energía cinética :es la que posee un cuerpo debido a su movimiento o velocidad; por ejemplo: la energía del agua al caer de una cascada, la energía del aire en movimiento, etc.

Existen también otras clasificaciones de la energía que en su esencia son energía cinética o potencial o combinaciones de estas dos. Tales son:

Energía Calórica o térmica: Producida por el aumento de la temperatura de los objetos. Como sabemos, los cuerpos están formados por moléculas y éstas están en constante movimiento. Cuando aceleramos este movimiento se origina mayor temperatura y al haber mayor temperatura hay energía calorífica. Esto es lo que sucede cuando calentamos agua hasta hervir y se produce gran cantidad de vapor.

Una fuente natural de calor es el Sol, y numerosas investigaciones descubrieron cómo se podría aprovechar la luz del sol para producir calor durante la noche e inclusive electricidad.

Energía Mecánica: Es la capacidad que tiene un cuerpo o conjunto de cuerpos de realizar movimiento, debido a su energía potencial o cinética; por ejemplo: La energía que poseemos para correr en bicicleta (energía potencial) y hacer cierto recorrido (energía mecánica); o el agua de unas cascada (energía potencial), que al caer hacer mover las aspas de una turbina (energía mecánica).

Energía Química: Es la producida por reacciones químicas que desprenden calor o que por su violencia pueden desarrollar algún trabajo o movimiento. Los alimentos son un ejemplo de energía química ya que al ser procesados por el organismo nos ofrecen calor (calorías) o son fuentes de energía natural (proteínas y vitaminas) . Los combustibles al ser quemados producen reacciones químicas violentas que producen trabajo o movimiento.

Energía Eléctrica: Esta es la energía más conocida y utilizada por todos. Se produce por la atracción y repulsión de los campos magnéticos de los átomos de los cuerpos. La utilizamos diariamente en nuestros hogares. Observamos como se transforma en energía calórica en el horno o la plancha; en energía luminosa en el bombillo y energía mecánica en los motores.

¿ QUE ES LA ENERGIA?

En todos los actos cotidianos se emplea algo de fuerza. Al levantarnos, peinarnos, caminar, correr, jugar, trabajar, etc. Siempre se necesita de fuerza para poder desenvolvernos con facilidad, según las exigencias del medio ambiente que nos rodee. La capacidad que posee una persona, o un objeto, para ejercer fuerza y realizar cualquier trabajo, se denomina: Energía . La energía es la capacidad de producir un trabajo en potencia o en acto. Por eso decimos que alguien tiene mucha energía cuando grandes actividades durante el día como: trabajar, estudiar o practicar deportes.

Con el crecimiento de la población y el mayor desarrollo de la inteligencia humana, el hombre comienza a incrementar el rendimiento de su propia energía mediante el uso de utensilios y algunos instrumentos: la piedra labrada, para puntas de lanzas y flechas, arco para disparar con mas energía sus flechas, martillos para golpear con mas fuerza, etc.

ENERGIA EN FISICA

En la física, la ley universal de conservación de la energía, que es la base para el primer principio de la termodinámica, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece en el tiempo. No obstante, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, contienen energía; además, pueden poseer energía adicional que se divide conceptualmente en varios tipos según las propiedades del sistema que se consideren. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica según el movimiento de la materia, la energía química según la composición química, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella y la energía térmica según el estado termodinámico.

La energía no es un estado físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo una magnitud escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo.

Se utiliza como una abstracción de los sistemas físicos por la facilidad para trabajar con magnitudes escalares, en comparación con las magnitudes vectoriales como la velocidad o la posición. Por ejemplo, en mecánica, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial, que componen la energía mecánica, que en la mecánica newtoniana tiene la propiedad de conservarse, es decir, ser invariante en el tiempo.

Matemáticamente, la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema de Noether.

Energía en diversos tipos de sistemas físicos

La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas, está involucrada en todos los procesos de cambio de Estado físico, se transforma y se transmite, depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva.^[1] Por lo tanto todo cuerpo es capaz de poseer energía, esto gracias a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, por supuesto todas coherentes y complementarias entre sí, todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.

Física clásica

En la mecánica se encuentran:

• Energía mecánica, que es la combinación o suma de los siguientes tipos:
• Energía cinética: relativa al movimiento.
• Energía potencial: la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo. Por ejemplo, está la Energía potencial gravitatoria y la Energía potencial elástica (o energía de deformación, llamada así debido a las deformaciones elásticas). Una onda también es capaz de transmitir energía al desplazarse por un medio elástico.

En electromagnetismo se tiene a la:
En la termodinámica están:
Energía interna, que es la suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema.
Energía térmica, que es la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica) mediante la combustión.

Física relativista

En la relatividad están:

Energía en reposo, que es la energía debida a la masa según la conocida fórmula de Einstein, E=mc², que establece la equivalencia entre masa y energía.
Energía de desintegración, que es la diferencia de energía en reposo entre las partículas iniciales y finales de una desintegración.
Al redefinir el concepto de masa, también se modifica el de energía cinética (véase relación de energía-momento).

Física cuántica

En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además de la energía asociadas a la materia ordinaria o campos de materia, en física cuántica aparece la:
Energía del vacío: un tipo de energía existente en el espacio, incluso en ausencia de materia

LA ENERGIA

Este tema es sin lugar a dudas uno de los mas importantes en el estudio de la física. El vocablo energía es usado por toda clase de personas, sean o no cultas. Expresiones como energía química, energía luminosa, energía mecánica, energía eléctrica, energía solar, etc., se oyen mencionar todos los días.

Es frecuenté que una persona diga: hoy me siento con mucha energía, queriendo decir que se encuentran en condiciones de trabajar mucho. Efectivamente, la energía se define como ¨CAPACIDAD PARA REALIZAR UN TRABAJO¨

Se podría afirmar que la única fuente primaria de la emergía es el sol, pues todas las formas de energía existentes como la hidráulica, la química, la eléctrica, no son sino resultado de las transformaciones que experimenta la energía solar.

Examinemos un solo ejemplo para darnos cuenta de la importancia de la energía solar: mediante la energía solar el agua de los mares, ríos y lagunas se evapora y asciende para formar las nubes. El agua evaporada cae de nuevo en forma de lluvia, la que conducía a las centrales eléctricas procura la energía para poner en movimiento las maquinas que proporcionan el fluido eléctrico.

De todas las formas de energía nos interesa, por el momento, referimos a la energía cinética y a la energía potencial.

ENERGIA CIENTICA

Es la capacidad que tiene los cuerpos en movimiento para producir trabajo. Es cinética la energía de: una corriente de agua o gas, la de un proyectil disparado, la de un tren en marcha, la de un electrón.

Con la finalidad de determinar los factores que influyen en el valor de la energía cinética, consideramos la siguiente situación:

Sobre una esfera colocada en una mesa aplíquese una fuerza a lo largo de una distancia (s). ¿Qué ocurriría?

                          

V₀ = 0                                                           V                                        V₀ = 0                                                V

                                                                       ------»                                        ------»                                                 ------» 

                                                                            Valor de la energía cinética

A medida que obra la fuerza, la esfera se moverá con velocidad creciente, pero como la fuerza ha sido aplicado a lo largo de una distancia, entonces se ha realizado un trabajo cuyo valor seria:   W = F_S.

La pregunta es: ¿en que magnitud queda representado el trabajo efectuado? Como el resultado es el movimiento de la esfera, entonces, según lo dicho anteriormente, la esfera adquirió una energía cinética o energía debida al movimiento; luego si hacemos n tratamiento matemático hallamos:

Trabajo efectuado:

W = F_S        como    F   =   ma y  s  

Como el cuerpo adquirió una velocidad final, entonces:

vf  =  at     de donde    vf²  =  a² t²

Luego, sustituyendo:

De manera general, para cualquier valor de la velocidad se tiene:

Y como el trabajo realizo es igual a la energía cinética lograda, tenemos como expresión de energía cinética

Si en el ejemplo anterior el cuerpo al cual se aplica la fuerza constante viene ya dotado de una determinada velocidad V_o, después de un cierto recorrido S su velocidad habrá aumentado y en consecuencia debe haberse operado un cambio en la energía cinética, como consecuencia del trabajo efectuado.

Recordando que para un movimiento con aceleración constante rige la relación

V²  =  V²₀  +  2as  

Y puesto que el trabajo es:

W  =  F_s  =  mas  entonces  as  

Traducida a una frase la expresión anterior, se concluye que la variación de energía cinética de un cuerpo es igual al trabajo sobre el cuerpo.

De lo anterior se deduce que la energía cinética debe expresarse en las mismas unidades que el trabajo, es decir en julios o también en kilovatios-hora, como lo advertimos anteriormente.

EJEMPLO

Una esfera de 3 Kg de masa pasa por el punto A de su trayectoria con la velocidad de 4m/s y mas adelante en el punto B su velocidad es de 10m/s. calcular la energía cinética de la esfera en los puntos A y B el valor del trabajo efectuado sobre la esfera entre los puntos A y B

Energía cinética en  A

Es   = 24 julios

Energía cinética en B

Es   = 150 julios

Como el trabajo se mide por la variación de la energía cinética, entonces:     W  =  150 – 24  = 126 julios.

Se debe destacar que en el valor de la energía cinética influye principalmente la velocidad. Es por ello que la energía de un electrón es bastante mayor a la del proyectil de un cañón, aun cuando este tiene una masa considerable. El valor de una caída de agua que circule sino en la velocidad con que fluya.

ENERGIA POTENCIAL

A menudo el trabajo realizado por una fuerza aplicada a un cuerpo no produce incremento de su energía cinética, como es el caso de un objeto que, mediante la aplicación de una fuerza, es levantado a velocidad constante desde un nivel h₁ a otro mayor h₂, puesto que el movimiento se realiza a velocidad constante, el trabajo efectuado no provoca variaciones de la energía cinética. Entonces cabria preguntas: ¿en que queda representado el trabajo realizado.

Energía potencial:

Como el cuerpo de ha trasladado, el trabajo efectuado en el presente ejemplo seria:

w= mg (h₂ – h₁)  y si: h₂ = h

Entonces el trabajo es:

W = mgh

Expresiones que corresponden a la energía potencial gravitatoria,  o sea la energía relacionada con la posición o configuración de un sistema mecánico que, al menos en principio, puede convertirse en energía cinética o puede utilizarse para realizar un nuevo trabajo.

También es potencial la energía de un resorte que se comprime o alarga mediante la acción de una fuerza. De todas maneras, en cualquiera de las dos situaciones se realiza un trabajo representado por una energía potencial. Que en este ejemplo es de tipo elástico.

De lo anterior se colige que el trabajo que se efectúa al elevar un cuerpo recuperable y demás es fácilmente demostrable que el trabajo es independiente de la trayectoria que se siga entre las posiciones inicial y final.

Cuando esto ocurre, la fuerza que intervenga en la realización de trabajos no recuperables y en los que el valor de estos depende de la trayectoria que se siga entre los puntos inicial y final. Ç

Energía potencial:

Un ejemplo de fuerza disipativas se tiene en el caso de realización de trabajo en que existen fricción o rozamiento. Cuando un cajón lleno de piedras se traslada de un punto a otro sobre una superficie rugosa, el trabajo que se efectúa al ir de un punto a otro o no es recuperable y por otra parte su valor depende de la trayectoria que se siga entre los puntos inicial y final.

CONSEVACION DE LA MATERIA

Cuando un cuerpo se lanza hacia arriba con una velocidad V_0, su energía cinética de partida va disminuyendo a medida que asciende, en razón de la perdida de velocidad, pero a cambio va ganando energía potencial. Cuando el cuerpo llega a su máxima altura toda la energía cinética se habrá convertido en potencial: ahora bien, si el cuerpo desciende se opera el fenómeno contrario o sea que la energía potencial se transforma en cinética. En efecto:

Energía potencial máxima:

Ep= mgh

Como por la cinemática sabemos que la altura máxima es igual a:

Luego la energía mecánica al transformarse de cinética en potencial y viceversa se conserva constante:

Ep + Ec = constante

Ahora bien, aplicando esta conclusión a dos puntos cualesquiera se puede escribir:

Ep₁ + Ec₁ = Ep₂ +Ec₂ o sea:

Energía potencial en un punto mas energía cinética en el mismo, igual a la energía potencial en otro punto mas su correspondiente energía cinética.

Esta que es la ley mas importante de la naturaleza se cumple no solo en cuantos se relaciona con la energía mecánica sino en lo que se refiere a cualquier forma en que se obtiene de una caída de agua puede transformarse en: calorífica (estufas9, en luminosa (bombillas), en química (acumulador), en sonora (timbre), en mecánica (torno), etc.

En el mundo actual existe el temor de una próxima crisis de energía por el agotamiento del petróleo, pero a la vez se tiene gran esperanza en que al ser denominados completamente los fenómenos de fisión y fusión nuclear, la humanidad dispondrá de energía suficiente para vivir, siempre que esta no se despilfarre en planes bélicos.