Transformaciones de la energía
La energía es una función de estado que se define mejor como la capacidad de realizar trabajo o de producir calor. Hay muchas formas de energía (por ejemplo, energía radiante, energía cinética, energía potencial, etc.), cada una de las cuales puede convertirse en otras formas de energía. La ley fundamental de la termodinámica establece que la energía total del universo es fija y que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo convertirse de una forma a otra.
La energía puede cambiarse, o transformarse, de una forma a otra. La transformación de la energía también se llama conversión de la energía. La unidad del Sistema Internacional de Unidades (SI) para la energía es el julio (J), llamado así por James Joule, quien demostró que el trabajo puede convertirse en calor. El julio es la unidad fundamental de energía tanto para el trabajo como para el calor y es el trabajo realizado por una fuerza de un Newton que actúa a través de una distancia de un metro. El julio también equivale a 1/4,184 de una caloría. La energía se expresa a menudo como caloría (cal), que es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius a una presión de una atmósfera. Una caloría equivale a 4,184 julios. La caloría (Cal; también llamada kilocaloría) que se utiliza para expresar la energía de los alimentos, es igual a 1.000 calorías.
La energía cinética es la energía de un objeto en movimiento y se relaciona mediante la fórmula newtoniana 1/2mv2 (donde m es igual a la masa en Kg y v es igual a la velocidad en metros/segundo). Un objeto en movimiento puede hacer que otro objeto realice un trabajo al colisionar con él, haciendo que se mueva una distancia determinada. Los objetos que chocan pueden ser un martillo que se balancea sobre un clavo o dos átomos que chocan en una reacción química. Algunos ejemplos de energía cinética son la energía mecánica (causada por el movimiento de las piezas) y la energía térmica (causada por el movimiento aleatorio de las partículas de la materia). Un objeto que tiene energía potencial tiene energía en virtud de la posición y se relaciona con la ecuación newtoniana PE=mgh (donde m es la masa en Kg, g la aceleración debida a la gravedad -aproximadamente 9,8 m/s2 cerca de la superficie de la Tierra- y h es la altura en metros). En algún momento, ese objeto ha realizado un trabajo sobre él, que ha dado lugar a un almacenamiento de energía. Un ejemplo de trabajo realizado sobre un objeto para darle energía potencial es la elevación de un cuerpo contra la fuerza gravitatoria de la Tierra. Al ser levantado, el cuerpo gana energía potencial que se convierte en energía cinética cuando el cuerpo cae.
Otro ejemplo de energía potencial es el agua en un tanque elevado. Si se deja caer el agua sobre una rueda y ésta gira, la rueda que gira puede utilizarse para producir electricidad . El agua en el tanque tiene energía potencial gravitacional. La energía potencial del agua se transforma en energía mecánica de la rueda, que a su vez se transforma en energía eléctrica.
En 1845, Joule realizó un experimento que demostró la transformación de energía tanto cualitativa como cuantitativamente. El experimento no era complicado: colocó una rueda de paletas en un tanque de agua y midió la temperatura del agua. Hizo girar la rueda en el agua durante un tiempo y luego volvió a leer la temperatura. Comprobó que la temperatura del agua aumentaba a medida que giraba la rueda de paletas. Joule cuantificó esta observación y descubrió que siempre se necesitaba la misma cantidad de energía para aumentar la temperatura del agua en un grado. También descubrió que no tenía que ser energía mecánica, sino que podía ser energía en cualquier forma. Obtuvo los mismos resultados con la energía eléctrica o magnética que con la mecánica. Los experimentos de Joule demostraron que las diferentes formas de energía son equivalentes y pueden convertirse de una forma a otra.
Interesantemente, tal y como lo expresó Joule, la energía necesaria para aumentar una libra de agua un grado en la escala Fahrenheit es igual a la cantidad de energía obtenida por un peso de 890 libras tras caer un pie en el campo gravitatorio de la Tierra.
Estas observaciones condujeron a lo que ahora se llama la «Ley de conservación de la energía». Esta ley establece que cada vez que se transfiere energía entre dos objetos, o se convierte de una forma en otra, no se crea energía y no se destruye ninguna. La cantidad total de energía implicada en el proceso sigue siendo la misma.
La mayoría de las reacciones químicas implican transformaciones de energía. Una reacción química es simplemente el proceso por el que se rompen los enlaces entre los átomos y se crean otros nuevos.
El ejemplo máximo de transformación de energía es el de la energía radiante del Sol . Toda la energía de la Tierra tiene su origen en el Sol, en la energía sobrante de la formación de la Tierra (generalmente energía térmica causada por el colapso gravitatorio de la materia) o en la energía derivada de la desintegración nuclear en el interior de la Tierra). La energía térmica del interior de la Tierra impulsa la tectónica de placas y, en la superficie, la energía radiante del Sol es convertida por las plantas en energía química mediante el proceso de fotosíntesis. Esta energía química se almacena en forma de azúcares y almidones. Cuando estas plantas son consumidas por los animales (es decir, como parte de la cadena alimentaria), esta energía química se transforma en otra forma de energía química (grasas o músculos) o se utiliza para obtener energía mecánica o térmica. En cuanto a los combustibles fósiles , los combustibles utilizados en la era moderna derivan de las transformaciones de la energía solar durante millones de años.
Véase también Tierra (planeta); Tierra, estructura interior; Terremotos; Evento K-T; Desprendimiento de tierras; Movimiento de masas; Radiactividad
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