La energía es una de las magnitudes más importantes tanto en la física como en la naturaleza. Tiene diversas formas, como la térmica, la eléctrica, la gravitatoria, la mecánica y la nuclear. Lo más importante es que estas formas pueden transformarse a otras.
¿Cuál es la ley de la conservación de la energía?
La ley de la conservación de la energía establece que la energía total en un sistema aislado permanece constante con el tiempo.
La física ha descubierto, a lo largo de los años, que existen varias formas de energía. Estas energías pueden transferirse de un sistema a otro de diversas maneras. Esta condición nos lleva a dos tipos principales de energía: la energía mecánica —que es un total de energía cinética y potencial— y la energía transferida a través del trabajo realizado por las fuerzas conservativas.
La energía no puede crearse ni destruirse. Sólo puede transformarse de una forma a otra".
Podemos ver la conservación de la energía en nuestra vida cotidiana.
Por ejemplo, un generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Pero en el caso de los generadores prácticos, parece que siempre hay una diferencia entre la energía de entrada y la de salida.
Entonces, si la energía se conserva, ¿a dónde va la energía perdida? En este caso, la energía perdida se convierte principalmente en energía térmica (en forma de calor).
Los paneles solares son un gran ejemplo cotidiano de formas de energía que se transforman entre sí, ya que los paneles solares convierten la energía lumínica del sol en energía eléctrica.
Fórmula de la ley de conservación de la energía
Ahora sabes que hay muchas formas de energía. Estudiaremos la energía en forma de energía cinética, energía potencial y trabajo realizado por fuerzas no conservativas. Vamos a reunir el resto en un grupo que llamaremos otras energías, o OE.
En general, podemos expresar la ley de conservación de la energía con la fórmula que se observa en la figura 1:
Fig. 1: Ecuación general de la conservación de la energía.
En nuestro caso, nos vamos a centrar en las circunstancias en las que la OE es constante, por lo que no se considerará y se restará en ambos miembros de la igualdad.
Aunque está fuera del alcance de esta explicación, el grupo que llamamos "otras energías" (OE), juega un papel importante en nuestra vida diaria. Un ejemplo de ello es cuando consumimos alimentos: con la ayuda del agua, la energía y la liberación de CO2, los alimentos se oxidan y dan lugar a energía química.
Esta energía química, a su vez, puede convertirse en otras formas de energía; por ejemplo, cuando nos movemos, se convierte en energía cinética y hace que nuestro cuerpo se caliente, lo que la convierte en energía térmica.
Formas de energía
Vamos a hablar brevemente de algunas de las principales formas de energía. Estudiaremos en detalle la energía potencial y la energía cinética, cuya suma es la energía mecánica.
Como sabes, la energía mecánica consta de dos tipos de energía: la potencial y la cinética. En condiciones ideales, en las que no hay pérdidas de energía mecánica por fricción o resistencia del aire, debes tener siempre presente que la energía mecánica inicial será igual a la energía mecánica final.
La energía mecánica es la energía que posee un objeto debido a su movimiento y a cómo influyen fuerzas conservativas sobre él.
Esto significa que la energía potencial y la cinética pueden convertirse la una en la otra; pero en un sistema ideal, la suma de ambas será constante.
\[ME_{inicial}=KE_{inicial}+PE_{inicial}=KE_{final}+PE_{final}=ME_{final}\]
La energía cinética es la energía que posee un objeto con masa debido a su movimiento.
La energía cinética se mide en julios. Podemos describirla matemáticamente atendiendo a su definición. Tenemos que considerar la masa de un objeto \(m\) en kilogramos, y la velocidad del objeto \(v\) en metros por segundo.
\[E=\dfrac{1}{2}mv^2\]
La energía potencial puede presentarse en múltiples formas. Dos ejemplos de ello son la energía potencial gravitatoria —asociada a la posición relativa del cuerpo en el campo gravitatorio— y la energía potencial elástica —asociada al estiramiento o la compresión de un cuerpo—.
La energía potencial gravitatoria es la energía que tiene un objeto debido a su posición relativa respecto a la fuente de gravitación. Para objetos cercanos a la superficie de la Tierra, esta se puede aproximar utilizando la altura respecto de la superficie:
\[E_p=mg\Delta h\]
Donde,
En la figura siguiente, la pelota tiene una energía potencial de \(5,5\) Julios y una energía cinética de 0 Julios, cuando está en la posición 1. La pelota comienza a moverse hacia abajo en la plataforma. Calcula las energías cinética y potencial de la pelota para las posiciones 2, 3, 4 y 5.
Fig. 2: Pelota rodando por una plataforma con una superficie ideal.
Solución
Independientemente de la posición en la que se encuentre la pelota, sabemos que la energía mecánica se conservará. Esto significa que la suma de la energía potencial y cinética en cualquier posición dada será la misma.
En este caso, la pelota tiene energía potencial gravitatoria. Veamos primero la posición 1 para recoger la masa de la pelota. Sabemos que:
\[E_p=mgh\]
La intensidad del campo gravitatorio en la superficie de la Tierra es de \(9,81\,\,\mathrm{m/s^2}\). Si ponemos los valores dados en la fórmula se obtiene:
\[5,5\,\,\mathrm{J}=m\cdot 9,81\,\,\mathrm{m/s^2}\cdot 5 \,\,\mathrm{m} \rightarrow m=0,112 \,\,\mathrm{kg}\]
Ahora que conocemos la masa de la pelota, podemos centrarnos en la posición 2. Como la pelota ha empezado a moverse hacia abajo, su energía potencial disminuirá y se transformará en energía cinética. Primero encontremos su energía potencial.
\[E_{p,2}=0,112\cdot 9,81\cdot 3=3,3 \,\,\mathrm{J}\]
Como sabemos que la energía se conserva, podemos restar este valor de energía a la energía potencial inicial para encontrar el valor de la energía cinética.
\[E_{k,2}=5,5-3,3=2,2\,\,\mathrm{J}\]
Para encontrar la velocidad de la pelota en la posición 2, utilizaremos la fórmula de la energía cinética y pondremos las variables conocidas.
\[E_{k,2}=2,2\,\,\mathrm{J}=\dfrac{1}{2}\cdot 0,112 \cdot v^2 v = 6,27\,\,\mathrm{m/s}\]
En la posición 3, como la altura está en su mínimo, la energía potencial también estará en su mínimo; por eso, la energía cinética estará en su valor máximo.
\[E_{p,3}=0,112\cdot 9,81\cdot 0,5=0,55\,\,\mathrm{J}\]
Podemos encontrar la energía cinética en la posición 3 restando \(E_{p,3}\) de la energía potencial inicial \(E_{p,1}\).
\[E_{k,3}=E_{p,1}-E_{p,3}=5,5-0,55=4,95\,\,\mathrm{J}\]
Para encontrar la velocidad de la pelota en la posición 3, utilizaremos la fórmula de la energía cinética y pondremos las variables conocidas.
\[E_{k,3}=4,95\,\,\mathrm{J}=\dfrac{1}{2}\cdot 0,112\cdot v^2 \cdot v =9,40\,\,\mathrm{m/s}\]
Ahora que conocemos las energías potencial y cinética y las velocidades en las posiciones 1, 2 y 3, no tenemos que calcularlas para las posiciones 4 y 5, ya que la altura en estas posiciones es igual a 2 y 1, respectivamente.
\[E_{k,4}=E_{k,2}=2,2\,\,\mathrm{J},E_{k,5}=E_{k,1}=0\,\,\mathrm{J},E_{p,4}=E_{p,2}=3,3\,\,\mathrm{J},E_{p,5}=E_{p,1}=5,5\,\,\mathrm{J}\]
En el ejemplo anterior, hemos considerado un sistema ideal sin rozamiento ni resistencia del aire. Por lo tanto, la pelota seguirá moviéndose y alcanzará siempre la misma altura en ambos extremos.
Pero, si probamos este experimento en casa, observaremos que la pelota acaba por detenerse. Esto no significa que la energía no se conserve. Más bien significa que hay resistencia del aire y que el rozamiento de la superficie también contribuye. La energía mecánica se transforma en otros tipos de energía —debido a estas fuerzas externas— y esta energía se disipa en el ambiente. Así que la energía total del sistema (incluyendo el aire, la superficie...) se conserva.
Eficiencia
Cuando se trata de la conservación de la energía, uno de los términos más importantes es la eficiencia![]()
. Aunque la energía se conserva en cualquier sistema, puede transformarse en otros tipos de energía no deseados en el proceso. Por eso, la energía de salida siempre es menor que la de entrada en los ejemplos de la vida real.
Podemos definir la eficiencia matemáticamente como se indica a continuación.
\[\eta=\dfrac{W_{salida}}{E_{inicial}}\]
En la práctica, el valor de la eficiencia no puede ser igual o superior a 1. Esto se debe a que siempre hay fuerzas externas aparentes en cada sistema que hacen que la energía de entrada se transforme en formas de energía menos útiles. Podemos expresar la eficiencia en forma de porcentaje, multiplicando el resultado de la eficiencia por cien.
\[\eta_{\%}=\dfrac{W_{salida}}{E_{inicial}}\cdot 100\]
Conservación de la energía - Puntos clave
- La ley de la conservación de la energía establece que la energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse.
- Hay muchas formas de energía. Estas formas incluyen la energía eléctrica, la energía nuclear, la energía térmica, la energía mecánica y la energía lumínica.
- La energía mecánica es la energía que posee un objeto debido a su movimiento y/o a su posición. Es igual a la suma de la energía potencial y cinética de un objeto/sistema.
- La eficiencia es la relación entre la energía útil/producción de trabajo y la energía total aportada. Es una de las cantidades más importantes cuando se habla de la conservación de la energía.
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