19 julio, 2024

La Ley de la conservación de la energía es considerada una de las leyes fundamentales de la física y constituye el primer principio de la termodinámica. Plantea que la energía total de un sistema aislado permanece constante o que la energía, no se crea ni se destruye, únicamente se transforma, lo que implica que en ciertas condiciones la masa se puede considerar como una forma de energía.

La Ley de Conservación de la Energía confirme que no existe ni puede existir nada capaz de generar energía,  no existe ni puede existir nada que sea capaz de hacer desaparecer la energía y por último, si se observa que la cantidad de energía varía, siempre será posible atribuir dicha variación a un intercambio de energía con algún otro cuerpo o con el medio circundante.

La energía es la capacidad de los cuerpos o sistema de cuerpos para efectuar un trabajo. Todo sistema que asa de un estado a otro produce fenómenos físicos o químicos que no son más que manifestaciones de alguna transformación de la energía.  La energía puede presentarse en diferentes formas: cinética, potencial, eléctrica, mecánica y química.

Siempre que se produzca una cantidad de una clase de energía, se deberá consumir una cantidad exactamente equivalente de otra clase o clases.

Cuando un sistema se encuentra en un estado particular se caracteriza por un valor de su energía interna que es la sumatoria de la energía cinética y potencial de todas las partículas que componen el sistema. Al tomar la energía interna como un todo, no es necesario especificar los diferentes tipos de energía intrínsecos de las partículas componentes. Esto significa que,  cualesquiera que sean las interacciones del sistema con los alrededores, la energía que éste cede o recibe de ellos, se traduce exclusivamente en un aumento o disminución de su energía interna, lo cual simplifica extraordinariamente el estudio del sistema y sus interacciones. La energía interna se mide en joule (J).

En 1843, el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889) realizó un experimento crucial donde la energía potencial gravitatoria de un par de pesos que caen por efecto de la gravedad provoca el movimiento de una rueda con paletas que rotan dentro de un recipiente cerrado con agua en su interior. La fricción de las paletas con el agua provoca el incremento de la temperatura del agua. Joule encontró que la energía mecánica se convierte en energía térmica; es más, pudo precisar el equivalente mecánico del calor, ya que determinó que para aumentar 1 ºC la temperatura de 1 gramo de agua, se requieren 4.15 joules.

Este experimento contribuyó al establecimiento de uno de los principios más importantes de la física. A partir de él y de diversos estudios sobre la transformación de la energía a lo largo de muchos años, se pudo concretar una de las grandes generalizaciones de la física: la ley de la conservación de la energía.

El ciclo del agua es uno de los mejores ejemplos de transformación de energía.

El agua en los mares es evaporada por la energía calórica que entrega el sol. El agua evaporada sube y viaja en forma de vapor de agua, forma nubes y luego precipita a tierra, nutriendo a todos los seres vivos. Si precipita en las alturas, sus cursos pueden ser retenidos en embalses, usándose para mover turbinas: el agua tiene energía potencial que es transformada en energía calórica.

En síntesis, la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Ello es conocido como el principio de conservación de la energía.

En el estudio de la termodinámica encontraremos que la energía pude transformarse en energía interna del sistema. Por ejemplo, cuando un bloque desliza sobre una superficie rugosa, la energía mecánica perdida se transforma en energía interna almacenada temporalmente en el bloque y en la superficie, lo que se evidencia por un incremento mensurable en la temperatura del bloque. Veremos que en una escala sub microscópica esta energía interna está asociada a la vibración de los átomos en torno a sus posiciones de equilibrio. Tal movimiento atómico interno tiene energía cinética y potencial. Por tanto, si a este incremento en la energía interna del sistema lo incluimos en nuestra expresión de la energía, la energía total se conserva.

Un objeto que se mantiene a cierta altura sobre el suelo no tiene energía cinética, pero, hay una energía potencial gravitacional asociada igual a mgh relativa al suelo si el campo gravitacional está incluido como parte del sistema. Si el objeto se suelta, cae hacia el piso, y conforme cae su velocidad y en consecuencia su energía cinética aumenta, en tanto que la energía potencial disminuye. Si se ignoran los factores como la resistencia del aire, toda la energía potencial que el objeto pierde cuando cae aparece como energía cinética. En otras palabras, las suma de las energías cinéticas y potencial, conocida como energía mecánica, permanece constante en el tiempo. Este es un ejemplo de la conservación de la energía.

La conservación de la energía requiere que la energía mecánica total de un sistema permanezca constante en cualquier sistema aislado de objetos que interactúan sólo a través de fuerzas conservativas.

Sistema mecánico en el cual se conserva la energía, para choque perfectamente elástico y ausencia de rozamiento.

 

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