Física - Magnitudes físicas

energía (del griego ἐνέργεια enérgeia, «actividad», «operación»; de ἐνεργóς energós, «fuerza de acción» o «fuerza de trabajo») tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, surgir, transformar o poner en movimiento.

En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural(incluyendo a su tecnología asociada) para poder extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico.

El concepto de energía en física[editar]

Mecánica clásica[editar]

Artículo principal: Mecánica clásica

En física clásica-antigua, la ley universal de conservación de la energía —que es el fundamento del primer principio de la termodinámica—, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el tiempo. Eso significa que para multitud de sistemas físicos clásicos la suma de la energía mecánica, la energía calorífica, la energía electromagnética, y otros tipos de energía potencial es un número constante. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica en función del movimiento de la materia, 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, la energía térmica según su capacidad calorífica, y la energía química según la composición química.

Mecánica relativista[editar]

En la teoría de la relatividad el principio de conservación de la energía se cumple, aunque debe redefinirse la medida de la energía para incorporar la energía asociada a la masa, ya que en mecánica relativista, si se considerara la energía definida al modo de la mecánica clásica entonces resultaría una cantidad que no se conserva constante. Así pues, 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, poseen una energía adicional equivalente a E = √((mc²)²·(pc)²), y si se considera el principio de conservación de la energía esta energía debe ser tomada en cuenta para obtener una ley de conservación (naturalmente en contrapartida la masa no se conserva en relatividad, sino que la única posibilidad para una ley de conservación es contabilizar juntas la energía asociada a la masa y el resto de formas de energía).

Mecánica cuántica[editar]

En mecánica cuántica el resultado de la medida de una magnitud en el caso general no da un resultado determinista, por lo que solo puede hablarse del valor de la energía de una medida, no de la energía del sistema. El valor de la energía en general es una variable aleatoria, aunque su distribución sí puede ser calculada, si bien no el resultado particular de una medida. En mecánica cuántica el valor esperado de la energía de un estado estacionario se mantiene constante. Sin embargo, existen estados que no son propios del hamiltoniano para los cuales la energía esperada del estado fluctúa, por lo que no es constante. La varianza de la energía medida además puede depender del intervalo de tiempo, de acuerdo con el principio de indeterminación de Heisenberg.

Expresión matemática[editar]

La energía es una propiedad de los sistemas físicos, no es un estado físico real, ni una «sustancia intangible». No obstante, hay quienes, como Wilhelm Ostwald, han considerado a la energía como lo auténticamente real, ya que, según la ecuación de la equivalencia la masa que es la medida de la cantidad de materia, puede transformarse en energía y viceversa. Por tanto, no es una abstracción, sino una realidad invariable a diferencia de la materia. En mecánica clásica se representa como una magnitud escalar. La energía es una abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo. En problemas relativistas la energía de una partícula no puede ser representada por un escalar invariante, sino por la componente temporal de un cuadrivector energía-momento (cuadrimomento), ya que diferentes observadores no miden la misma energía si no se mueven a la misma velocidad con respecto a la partícula. Si se consideran distribuciones de materia continuas, la descripción resulta todavía más complicada y la correcta descripción de la cantidad de movimiento y la energía requiere el uso del tensor de energía-impulso.

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 aceleración. 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[editar]

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 este se conserva.¹​ Por lo tanto, todo cuerpo es capaz de poseer energía en función de su movimiento, posición, temperatura, masa, composición química, y otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, todas coherentes y complementarias entre sí, y todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.

Física clásica[editar]

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:

• Energía electromagnética, que se compone de:
  • Energía radiante: la energía que poseen las ondas electromagnéticas.
  • Energía calórica: la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación.
  • Energía potencial eléctrica (véase potencial eléctrico).
  • Energía eléctrica: resultado de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos.

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.
• Potencial termodinámico, la energía relacionada con las variables de estado.

Física relativista[editar]

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). Dada una partícula material, no puede hablarse de una energía bien definida e idéntica para todos los observadores, de hecho la energía y el momentum lineal son parte del un único cuadrimomentum que es un cuadrivector. La «energía» es la componente temporal de este cuadrimomentum, pero debido a la naturaleza de la relatividad de la misma manera que el intervalo de tiempo o la distancia espacial es relativa al observador, las componentes espaciales (momentum lineal) y temporal (energía) del cuadrimomentum son relativas al observador. Para un medio continuo o un campo físico, las dificultades son aún mayores y en general la energía no está asociada a un cuadrimomentum sino al tensor energía-impulso.

En relatividad general, el «campo» gravitatorio no es propiamente un campo físico ordinario, lo cual lleva a dificultades para atribuir una energía dada a un sistema no aislado, ya que un campo gravitatorio no estacionario no da lugar a una energía potencial bien definida.

Física cuántica[editar]

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 asociada 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.

Química[editar]

En química aparecen algunas formas específicas no mencionadas anteriormente:

• Energía de ionización, una forma de energía potencial, es la energía que hace falta para ionizar una molécula o átomo.
• Energía de enlace, es la energía potencial almacenada en los enlaces químicos de un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta clase de energía, en función de la entalpía y energía calórica.

Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular (véase Ruta metabólica).

Podemos encontrar ejemplos de energía química en la vida de los seres vivos, es decir, en la vida biológica. Dos de los procesos más importantes que necesitan de este tipo de energía es el proceso de fotosíntesis en vegetales y la respiración en los animales. En la fotosíntesis, los vegetales utilizan clorofila para separar el agua y así convertirla después en hidrógeno y oxígeno: el hidrógeno, combinado con el carbono del ambiente, producirá carbohidratos. En la respiración sucede lo contrario: el oxígeno es utilizado para quemar moléculas de carbohidratos.

Energía potencial[editar]

Artículo principal: Energía potencial

Es la energía que se le puede asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de su posición o de su configuración. Si en una región del espacio existe un campo de fuerzas conservativo, la energía potencial del campo en el punto (A) se define como el trabajo requerido para mover una masa desde un punto de referencia (nivel de tierra) hasta el punto (A). Por definición el nivel de tierra tiene energía potencial nula. Algunos tipos de energía potencial que aparecen en diversos contextos de la física son:

• La energía potencial gravitatoria asociada a la posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (en el contexto de la mecánica clásica). La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio constante viene dada por: ${\displaystyle E_{p}=mgh\,}$ donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de energía potencial.
• La energía potencial electrostática V de un sistema se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación:

${\displaystyle \mathbf {E} =-\operatorname {grad} \ V}$

siendo E el valor del campo eléctrico.

• La energía potencial elástica asociada al campo de tensiones de un cuerpo deformable.

La energía potencial puede definirse solamente cuando existe un campo de fuerzas que es conservativa, es decir, que cumpla con alguna de las siguientes propiedades:

1. El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos es independiente del camino recorrido.
2. El trabajo realizado por la fuerza para cualquier camino cerrado es nulo.
3. Cuando el rotor de F es cero (sobre cualquier dominio simplemente conexo).

Se puede demostrar que todas las propiedades son equivalentes (es decir que cualquiera de ellas implica la otra). En estas condiciones, la energía potencial en un punto arbitrario se define como la diferencia de energía que tiene una partícula en el punto arbitrario y otro punto fijo llamado «potencial cero».

Energía cinética de una masa puntual[editar]

La energía cinética es un concepto fundamental de la física que aparece tanto en mecánica clásica, como mecánica relativista y mecánica cuántica. La energía cinética es una magnitud escalar asociada al movimiento de cada una de las partículas del sistema. Su expresión varía ligeramente de una teoría física a otra. Esta energía se suele designar como K, T o E_c.

El límite clásico de la energía cinética de un cuerpo rígido que se desplaza a una velocidad v viene dada por la expresión:

${\displaystyle E_{c}={1 \over 2}mv^{2}}$

Una propiedad interesante es que esta magnitud es extensiva por lo que la energía de un sistema puede expresarse como «suma» de las energías de partes disjuntas del sistema. Así por ejemplo puesto que los cuerpos están formados de partículas, se puede conocer su energía sumando las energías individuales de cada partícula del cuerpo.

Magnitudes relacionadas[editar]

La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Energía y trabajo son equivalentes y, por tanto, se expresan en las mismas unidades. El calor es una forma de energía, por lo que también hay una equivalencia entre unidades de energía y de calor. La capacidad de realizar un trabajo en una determinada cantidad de tiempoes la potencia.

Transformación de la energía[editar]

Para la optimización de recursos y la adaptación a nuestros usos, necesitamos transformar unas formas de energía en otras. Todas ellas se pueden transformar en otra cumpliendo los siguientes principios termodinámicos:

• «La energía no se crea ni se destruye; solo se transforma». De este modo, la cantidad de energía inicial es igual a la final.

• «La energía se degrada continuamente hacia una forma de energía de menor calidad (energía térmica)». Dicho de otro modo, ninguna transformación se realiza con un 100 % de rendimiento, ya que siempre se producen unas pérdidas de energía térmica no recuperable. El rendimiento de un sistema energético es la relación entre la energía obtenida y la que suministramos al sistema.

Unidades de medida de energía[editar]

La unidad de energía 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	4185,5
Termia	th	4 185 500
Kilovatio hora	kWh	3 600 000
Caloría grande	Cal	4185,5
Tonelada equivalente de petróleo	Tep	41 840 000 000
Tonelada equivalente de carbón	Tec	29 300 000 000
Electronvoltio	eV	1,602176462 × 10-19
British Thermal Unit	BTU o BTu	1055,05585
Caballo de vapor por hora2​	CVh	3,777154675 × 10-7
Ergio	erg	1 × 10-7
Pie por libra (Foot pound)	ft × lb	1,35581795
Foot-poundal3​	ft × pdl	4,214011001 × 10-11

Energía como recurso natural[editar]

Artículo principal: Energía (tecnología)

En tecnología y economía, una fuente de energía es un recurso natural, así como la tecnología asociada para explotarla y hacer un uso industrial y económico del mismo. La energía en sí misma nunca es un bien para el consumo final sino un bien intermedio para satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios. Al ser un bien escaso, la energía ha sido históricamente fuente de conflictos para el control de los recursos energéticos.

coeficiente de dilatación (o más específicamente, el coeficiente de dilatación térmica) es el cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente cambia de temperatura provocando una dilatación térmica.

De forma general, durante una transferencia de calor, la energía que está almacenada en los enlaces intermoleculares entre dos átomos cambia. Cuando la energía almacenada aumenta, también lo hace la longitud de estos enlaces. Así, los sólidos normalmente se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse;¹​ este comportamiento de respuesta ante la temperatura se expresa mediante el coeficiente de dilatación térmica(típicamente expresado en unidades de °C^-1):

${\displaystyle \alpha ={\frac {1}{V}}\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)}$

Linealidad del Coeficiente de Dilatación Térmica[editar]

Por lo general, como ya se ha señalado, los distintos materiales se dilatan al calentarlos y se contraen al enfriarlos. Normalmente se supone que el coeficiente de dilatación térmica ${\displaystyle \alpha }$ es constante (es decir, su valor no varía con la temperatura, o lo que es igual, existe una relación lineal de proporcionalidad entre los incrementos de temperatura y los incrementos de longitud), lo cual no es estrictamente cierto, aunque para un gran número de aplicaciones es una aproximación aceptable.

Sólidos[editar]

Para los sólidos, el tipo de coeficiente de dilatación más comúnmente usado es el coeficiente de dilatación lineal α_L.

Cambio de longitud de una varilla por expansión térmica.

Para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio de temperatura, como:

${\displaystyle \alpha _{L}={\frac {d\ln L}{dT}}\approx {\frac {1}{L}}{\frac {\Delta L}{\Delta T}}}$

Puede ser usada para abreviar este coeficiente, tanto la letra griega alfa ${\displaystyle \alpha \;}$ como la letra lambda ${\displaystyle \lambda \;}$.

Gases y líquidos[editar]

En gases y líquidos es más común usar el coeficiente de dilatación volumétrico ${\displaystyle \alpha _{V}}$ o ${\displaystyle \beta }$, que viene dado por la expresión:

${\displaystyle \alpha _{V}={\frac {d\ln V}{dT}}\approx {\frac {1}{V}}{\frac {\Delta V}{\Delta T}}}$

Para sólidos, también puede medirse la dilatación volumétrica, aunque resulta menos importante en la mayoría de aplicaciones técnicas. A partir del cálculo se deduce que el coeficiente de dilatación volumétrico es el triple del coeficiente de dilatación lineal, por lo tanto, para los rangos donde el coeficiente es constante se cumple que:

${\displaystyle {\alpha _{V}}=3\alpha _{L}}$

Aplicaciones[editar]

El efecto de sobretensión por dilatación térmica de los carriles soldados de las vías del ferrocarril causó 190 descarrilamientos de trenes entre 1998–2002 solamente en los Estados Unidos.²​

El conocimiento del coeficiente de dilatación lineal adquiere una gran importancia técnica en muchas áreas tanto del diseño industrial como de la construcción de grandes estructuras.

Montaje de vías de ferrocarril. Neutralización de tensiones

Un buen ejemplo son los rieles del ferrocarril; estos van soldados unos con otros, por lo que pueden llegar a tener una longitud de varios centenares de metros. Si la temperatura aumenta mucho la vía férrea se desplazaría por efecto de la dilatación, deformando completamente el trazado. Para minimizar este efecto, se estira el carril artificialmente mediante gatos hidráulicos, produciendo una dilatación equivalente a la dilatación natural que se produciría por dilatación térmica hasta alcanzar la temperatura media, y se corta el sobrante, para volver a soldarlo. A este proceso se le conoce como neutralización de tensiones.

Para ello, se toma la temperatura media de la zona donde se instala el carril (temperatura de neutralización), y se le resta la que se registre en el momento en que se vayan a neutralizar las tensiones (siempre que sea inferior a la anterior; en caso contrario, habría que "comprimir" el carril en vez de estirarlo, lo que en la práctica no es factible porque pandearía de forma incontrolada). El resultado se multiplica por el coeficiente de dilatación del acero y por la longitud de vía a neutralizar, obteniéndose así la longitud en que debe estirarse el carril (como se ha señalado, aplicando tracción mecánica mediante gatos) antes de fijarlo en su posición definitiva.

Ejemplo: se quiere dar continuidad mediante soldadura a un carril (una típica barra larga soldada) de 288 m de longitud. La temperatura media de la zona es de 20°C, y en el momento del montaje, el carril está a 10°C. La longitud en la que habrá que estirar el carril antes de soldarlo para obtener su neutralización es:

${\displaystyle \Delta L=L\ \Delta T\ \alpha =288m\ {10}^{o}C\ 1,2\ 10^{-5}=0,0345m=3,45cm}$

Grandes puentes de tablero continuo

En puentes de gran longitud, la dilatación térmica es un efecto de considerable importancia estructural, que puede llegar a condicionar su diseño. Por ejemplo, en un puente de acero de 1000 m de longitud con tablero continuo, en una zona donde la temperatura oscile entre los -10°C y los 40°C (oscilación térmica de 50°C), la variación de longitud del puente (también denominada "carrera") que se registra es de:

${\displaystyle \Delta L=L\ \Delta T\ \alpha =1000m\ {50}^{o}C\ 1,2\ 10^{-5}=0,600m=60cm}$

Esta circunstancia obliga a disponer juntas especiales para absorber estos cambios de longitud entre los estribos de la estructura, y en el caso específico de los ferrocarriles, a adoptar unos dispositivos de vía especiales denominados aparatos de dilatación. Curiosamente, el acero y el hormigón (materiales más usuales en los puentes), tienen coeficientes de dilatación prácticamente equivalentes.

Péndulo de parrilla

El péndulo de parrilla es un ingenioso montaje mecánico, diseñado para mantener constante la longitud del péndulo de este tipo de relojes, evitando así las variaciones de su marcha provocadas por los cambios de temperatura. Básicamente, consiste en dividir en dos la varilla del péndulo, intercalando entre las dos mitades otras dos varillas intermedias de un material mucho más dilatable formando la parrilla, que compensa en sentido contrario automáticamente la dilatación de la varilla principal.

Dispositivos termostáticos mecánicos

Antes de la generalización del uso de la electrónica, e incluso actualmente, se emplea una amplia serie de dispositivos termostáticos que utilizan esta propiedad de los materiales al calentarse. Pueden citarse los reguladores mecánicos de temperatura de los sistemas de calefacción (con relés con forma de muelle espiral tarados para abrir o cerrar un circuito a la temperatura seleccionada); los reguladores de electrodomésticos tan comunes como los tostadores de pan; los termostatos dispuestos en los motores de los automóviles para evitar su sobrecalentamiento accidental; o los grifos termostáticos, que consiguen equilibrar de forma sencilla y eficiente los caudales de agua fría y agua caliente para conseguir una mezcla a temperatura constante.

Valores del coeficiente de dilatación lineal[editar]

Algunos coeficientes de dilatación, que son constantes cuando el cambio de temperatura es menor que 100°C:³​

Material	α (10-6°C-1)	Material	α (10-6°C-1)	Material	α (10-6°C-1)	Material	α (10-6°C-1)
Hormigón	8 a 12	Acero	12	Hierro	12	Plata	19
Oro	14	Invar	0,4	Plomo	30	Zinc	30
Aluminio	23	Latón	18	Cobre	17	Vidrio	7 a 9
Cuarzo	0,4	Hielo	51	Diamante	1,2	Grafito	8
Fibra de carbono	–0.84​	Etanol	250	Arseniuro de galio	5.8	Gasolina	317
Vidrio borosilicato	3.3	Vidrio Pyrex	3.25​	Madera de roble	546​	Abeto (radial)	277​
Abeto (tang.)	457​	Abeto (long.)	3.57​	PP	150	PVC	52
Zafiro	5.38​	Carburo de silicio	2.779​	Silicona	2.5610​	Acero inoxidable	10.1 ~ 17.3

Valores del coeficiente de dilatación volumétrico[editar]

Material	α (10-6°C-1)	Material	α (10-6°C-1)	Material	α (10-6 °C-1)	Material	α (10-6°C-1)
Aluminio	69	Bronce	57	Hormigón	36	Cobre	51
Diamante	3	Etanol	75012​	Arseniuro de galio	17.4	Gasolina	95013​
Vidrio	25.5	Vidrio borosilicatado	9.9	Glicerina	4855​	Oro	42
Helio	36.655​	Fosfuro de indio	13.8	Invar	3.6	Hierro	33.3
Plomo	87	Magnesio	78	Mercurio	1825​14​	Molibdeno	14.4
Níquel	39	Abeto Douglas	75	Platino	27	PP	450
PVC	156	Cuarzo	1	Carburo de silicio	8.31	Silicona	9
Plata	54	Sitall	0±0.45	Acero inoxidable	51.9	Acero	33.0 ~ 39.0
Titanio	2615​	Tungsteno	13.5	Trementina	905​	Agua	20714​

Nota: La unidad de temperatura del SI (Sistema Internacional) es el Kelvin (K^-1). Sin embargo, como en la fórmula se manejan incrementos de temperatura, el uso de grados Celsius no afecta a los cálculos.