Comes varias veces al día, pero ¿te has preguntado alguna vez qué tipo de energía se almacena en esos alimentos? Existen varias formas de almacenar energía, pero ¿cuáles pertenecen al mismo tipo?
- Por ejemplo, aunque te resulte sorprendente, el tipo de energía que se almacena en los alimentos que comes es el mismo que el que se almacena en una pila: la energía química.
- Otro ejemplo es que el tipo de energía que se utiliza en la bomba atómica también se utiliza para generar electricidad: la energía nuclear.
Pero, ¿estos diferentes tipos de energía se pueden convertir el uno en el otro? Y si es así, ¿cómo se transmite?
Bueno, basta de preguntas, ¡vamos a entender el concepto de energía en física!
Definición de energía
Un objeto trabaja moviéndose contra una fuerza a lo largo de una determinada distancia.
La energía se utiliza en todas partes; es la capacidad de realizar un trabajo. Puede existir en diversas formas e, incluso, transferirse entre sistemas o cuerpos, como: el movimiento, la luz, el calor, etc.
Por ejemplo, cuando se quema madera, la energía química almacenada en la madera se convierte en energía térmica en forma de calor. Esto es similar a cuando obtenemos calor y luz del sol. La diferencia es que en este último caso, la energía inicial se llama energía nuclear.
Las unidades de energía son los julios y su símbolo \(\mathrm{J}\) recibe su nombre del conocido físico James Joule.
Tipos de energía y ejemplos
La energía de un objeto o de un sistema se agrupa en distintos almacenes energéticos, y esta puede transferirse entre distintos tipos de almacenes. Veamos los diferentes tipos de energía y algunos ejemplos:
La energía cinética es la energía asociada al movimiento de cualquier objeto; puede transferirse a otros objetos mediante colisiones. Además, la energía cinética puede transformarse en otra energía.
Por ejemplo, cuando un objeto se mueve sobre una superficie con fricción, la energía cinética se convierte en energía térmica en forma de calor, que suele considerarse energía perdida.
Cuando la energía se transforma de una forma a otra, una fracción de la energía se transforma en una forma no deseada y desordenada. Esta fracción se denomina pérdida de energía.
La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un objeto en función de su posición en un campo gravitatorio.
Por ejemplo, si ponemos una pelota en una colina, tendrá energía potencial gravitatoria. Si haces rodar la pelota hacia abajo, esta energía se liberará y se transformará en energía cinética.
La energía potencial elástica (de tensión) es la energía que tiene un objeto cuando es elástico y se estira (por ejemplo, un muelle o una cuerda). El objeto elástico volverá a su posición original cuando se deje de aplicar fuerza sobre él. Esto se debe a que el objeto ha almacenado energía potencial elástica.
Fig. 1: Los tirachinas son un ejemplo de energía potencial elástica.
La energía térmica describe la temperatura de un objeto. Esta es un tipo de energía cinética, ya que el calor de un objeto viene determinado por la velocidad a la que se mueven sus partículas.
La energía química se libera (se transfiere a otro almacén de energía) cuando se produce una reacción química.
Los alimentos que comes cada día tienen energía química almacenada, que se libera tras las reacciones químicas que se producen en tu sistema digestivo.
La energía nuclear es la energía mantenida en el núcleo por las fuerzas fuertes. Se puede liberar después de que se produzcan reacciones nucleares y se utiliza en las centrales nucleares, todos los días, para proporcionar electricidad.
La energía magnética se almacena en los imanes, haciendo que se atraigan o se repelan.
La energía electromagnética es la que transportan las ondas electromagnéticas. Por supuesto, la luz también es una onda electromagnética y, por tanto, posee esta energía.
Otros ejemplos pueden variar desde las ondas de radio utilizadas en las radios para transportar información hasta los rayos X utilizados en la física médica.
Por ahora, nos centraremos en dos tipos principales de energía: la cinética y la potencial.
Energía cinética
Como hemos visto antes, la energía cinética es la que posee un objeto debido a su movimiento y se mide en julios (\(\mathrm{J}\)). Pero, ¿de qué más depende la energía cinética de un objeto?
Veamos la ecuación para hallar la energía cinética, para entender mejor el concepto: \[E_c=\dfrac{1}{2}m\cdot v^2,\]
Donde,
- \(m\) es la masa del objeto, que se mide en kilogramos (\(\mathrm{kg}\)).
- \(v\) es su velocidad, que mide en metros por segundo (\(\mathrm{m/s}\)).
Es sencillo ver que, si el objeto está en reposo, su energía cinética será \(0\).
Energía potencial
A diferencia de la energía cinética, la energía potencial tiene dos formas principales: gravitacional y elástica.
Energía potencial gravitatoria
Como has aprendido, la energía potencial gravitatoria depende de la posición del objeto en el campo gravitatorio y de su masa. También se expresa en julios (\(\mathrm{J}\)).
Profundicemos en su ecuación, para ver qué otros factores afectan a la energía potencial gravitatoria de un objeto:
\[E_p=m\cdot g\cdot h,\]
Donde,
- \(m\) es la masa del objeto.
- \(h\) es la altura del objeto, respecto a un punto de referencia. Se mide en metros (\(\mathrm{m}\)).
- \(g\) es la intensidad del campo gravitatorio, que consideramos \(g=9,81\,\,\mathrm{m/s^2}\), aproximadamente. Se mide en en newtons por kilogramo (\(\mathrm{N\cdot m}\)) o en metros por segundo al cuadrado (\(\mathrm{m/s^2}\)).
Energía potencial elástica
Otra forma de energía potencial es la energía potencial elástica, que es la que tiene un objeto cuando es elástico y se estira. Se mide en julios (\(\mathrm{J}\)).
Veamos su ecuación para entender mejor el concepto: \[E_p=\dfrac{1}{2}k\cdot \Delta x^2,\].
Donde,
- \(k\) es la constante elástica del muelle, que se mide en newtons por metro (\(\mathrm{N\cdot m}\))
- \(\Delta x\) es la extensión de este; es decir, qué tanto se estira o se contrae respecto a su posición natural. Se expresa en metros (\(\mathrm{m}\)).
La constante del muelle es un valor que mide la rigidez del muelle y depende del material utilizado en el mismo. Este valor también es igual a la fuerza necesaria para estirar el muelle durante un metro.
¿Cómo se transmite la energía?
Veamos, ahora, cómo se transfiere y transforma la energía entre los almacenes energéticos. Esto nos ayudará a entender cómo se utilizan en nuestra vida cotidiana.
Cuando la energía se transfiere entre diferentes almacenes, hay varias formas en las que la transferencia de energía puede ocurrir:
- Mecánicamente: se produce una transferencia de energía mecánica cuando se realiza un trabajo.
- Por calentamiento: cuando un objeto calienta a otro, transfiriendo parte de su energía térmica.
- Eléctricamente: la energía se transfiere por una carga que se mueve a través de un circuito.
- Por radiación: cuando un objeto irradia una onda que transporta energía que puede pasar a otro objeto.
Para comprender mejor las transferencias de energía entre diferentes almacenes hay que tener en cuenta lo que le ocurre al objeto, o lo que este hace:
Describe las transferencias de energía que se producen cuando una persona salta en el aire y vuelve a caer.
Solución
- Una persona puede saltar en el aire debido a las reacciones químicas de sus músculos, que hacen que estos se muevan; por lo que, inicialmente, hay una transferencia de energía química a cinética.
- A medida que la persona se eleva en el aire, comienza a disminuir su velocidad, debido al campo gravitatorio de la Tierra. Su energía cinética se transforma en energía potencial gravitatoria.
- Tras alcanzar su máxima altura, la persona comienza a acelerar, de nuevo, hacia la tierra. Su energía potencial gravitatoria se convierte, de nuevo, en energía cinética.
La transferencia de energía es importante, porque no se puede almacenar energía en todas las formas útiles.
Por ejemplo, la luz es una de las cosas más útiles en nuestras vidas; pero, no se puede almacenar. Por lo tanto:
- Si quieres tener luz, puedes llevar una linterna, que tiene almacenada energía química en su batería.
- Esta energía química provoca una corriente eléctrica que hace que la bombilla se caliente.
- Como resultado de este proceso de calentamiento (que ocurre demasiado rápido para que el ojo humano logre observarlo), la bombilla emite luz y nos permite ver en la oscuridad.
Conservación de la energía
El principio de conservación de la energía establece que esta no puede crearse ni destruirse.
La cantidad de energía que existía cuando se formó el universo es la misma que existe en el momento en que estás leyendo esta explicación. La energía, únicamente, se puede transferir entre los diferentes almacenes.
Por ejemplo, una pila no crea energía de la nada. Contiene energía química, que luego se transfiere al circuito para crear una corriente.
Cuando se producen transferencias de energía, no toda la energía se transforma a la forma de energía deseada. Parte de ella se transforma en otras formas de energía residuales. Esto es lo que conocemos como pérdida de energía.
- Cuando un bate golpea una pelota, se produce un fuerte sonido, que significa que parte de la energía cinética del bate se transfiere a ondas sonoras.
- Otro ejemplo es un objeto que se desplaza por una superficie rugosa. Tiene que hacer un trabajo contra la fricción que le hace perder algo de energía, ya que se transforma en energía térmica y sonora.
Pero, como puedes ver, incluso cuando hablamos de energía perdida, no se pierde realmente: se transforma en otra forma de energía, aunque sea no deseada. Así que, podemos concluir que la energía total inicial que tiene un sistema es igual a su energía total final. Esto se expresa, matemáticamente, como se muestra a continuación.
\[ \begin{align}E_i&=E_f,\end{align} \]
Donde,
- \(E_i\) es la energía inicial que tiene el sistema.
- \(E_f\) es la energía final.
Eficiencia energética
Cuando una máquina desperdicia energía al intentar realizar un trabajo, decimos que esta máquina es ineficiente. La energía desperdiciada es lo que antes llamábamos energía perdida. En la práctica, no se puede realizar un trabajo sin energía perdida, pero sí se puede reducir al mínimo deseado.
Este mismo concepto lo utilizamos para hablar de las personas, cuando no aprovechan adecuadamente los recursos que tienen. Pese a que para las personas no equivale el concepto de eficiencia que tenemos en física, nos sirve para hacernos una idea.
En física, a medida que la energía perdida se reduce, la eficiencia es mayor. Matemáticamente, es la relación entre la energía útil de salida y la energía total de entrada, y puede expresarse mediante la siguiente ecuación:
\[\mu=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\]
Para calcular la eficiencia en porcentaje, debemos multiplicar el resultado que obtenemos de la ecuación anterior por cien: \[\mu_{\%}=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\cdot 100\]
Hay que tener en cuenta que la eficiencia no puede ser igual o superior a 1 o al 100%, en la práctica; simplemente, porque siempre se pierde energía de alguna forma. Esto significa que la energía útil de salida siempre va a ser menor que la energía total de entrada.
Fig. 3: En la gran mayoría de aparatos electrónicos encontramos etiquetas que nos indican su eficiencia. commons.wikimedia.org
Un hervidor tiene \(50\,\,\mathrm{J}\) de energía y la convierte en \(38\,\,\mathrm{J}\) de energía térmica. El resto de la energía se pierde en el entorno, en forma de sonido.
Calcula el rendimiento del hervidor:
Solución
Como el objetivo del hervidor es proporcionar energía térmica, el valor dado de \(38\,\,\mathrm{J}\) es la fracción de energía que hemos denominado energía útil de salida.
Por otro lado, el hervidor se abastece con \(50\,\,\mathrm{J}\) de energía, que es lo que hemos denominado como energía total de entrada.
Sabemos que la fórmula de la eficiencia es: \[\mu=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\]
Si ponemos las variables dadas en la fórmula, podemos calcular la eficiencia del hervidor.
\[\mu=\dfrac{38}{50}=0,76\]
Energía - Puntos clave
- La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Puede existir en diversas formas e, incluso, transferirse entre sistemas o cuerpos.
- La energía cinética es la energía del movimiento. Cualquier objeto en movimiento posee energía cinética, y puede transferirse a otros objetos mediante colisiones.
- La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un objeto en función de su posición en un campo gravitatorio.
- La energía potencial elástica (tensión) es la energía que tiene un objeto cuando es elástico y se estira (por ejemplo, un muelle o una cuerda).
- La energía se conserva. Esto significa que no puede crearse ni destruirse.
- La energía de un objeto o de un sistema se almacena en diferentes depósitos de energía, y esta puede transferirse entre diferentes sistemas.
- En física, a medida que se reduce la energía perdida, aumenta la eficiencia. Matemáticamente, es la relación entre la energía útil de salida y la energía total de entrada.
References
- Fig. 3: EU energy label (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bb/EU_energy_label.png) by Solipsist~commonswiki (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Solipsist~commonswiki) licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/)
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