MecánicaEnergía: Una Introducción

por Anthony Carpi, Ph.D.

¿Sabía usted que?

Did you know that energy is used whenever anything changes or moves? Energy is what makes bike pedals rotate and what allows us to yawn and stretch. There are many forms of energy—mechanical, electrical, heat, and light, for example. What they all have in common is the ability to cause change or do work.

Resumen

All types of energy can cause change or do work. This module provides an introduction to energy in its various forms and states. Potential and kinetic energy are explained and demonstrated. The module describes Joule’s paddlewheel experiment, which shows how one form of energy can be converted into another, and presents the First and Second Laws of Thermodynamics.

Términos que usted debe saber
  • convert = to change from one form to another
  • mechanical = involving physical force or motion
  • state = condition; form or stage of being
Tabla de Contenido

Cuando un rayo de sol penetra a través de una ventana, una hormiga gatea por una acera, o un auto va por la calle, hay un cambio en energía. Cambios en energía tienen lugar tan amenudo que los damos por hecho. Sin embargo, durante miles de años el concepto de energía ha sido mal comprendido. Las culturas antiguas asociaban el fuego con todas las formas de energía, y el filósogo griego Heraclíto (~500 BC) explicó todo lo que pasaba en el universo en términos de energía. En los siglos que siguieron, muchos científicos propusieron teorías para explicar el concepto de energía, pero ninguno dio verdaderas luces sobre el tema.

En 1686, el famoso matemático Inglés y el fisíco Sir Isaac Newton delineó tres axiomas (o leyes) que describen el comportamiento de los cuerpos en movimiento. Las 'Leyes del Movimiento' de Newton fueron la primera descripción precisa de las fuerzas que afectan los objetos que se mueven y, por consiguiente, fueron la primera descripción precisa de la energía de los objetos que se mueven (llamada energía mecánica). Los axiomas de Newton establecieron la base de nuestro conocimiento de la energía y las fuerzas.

Hay muchas formas diferentes de energía: energía mecánica, energía eléctrica, energía que proviene del calor, energía que proviene de la luz, etc. Cada una de estas diferentes formas de energía tienen en común la habilidad de causar algún tipo de cambio o forma de hacer una labor. En realidad, la energía se define como la habilidad de causar cambio o hacer una labor. Por ejemplo, cuando un rayo de sol penetra a través de una ventana causa un cambio porque calienta el interior de la casa. La energía 'hace una labor' dentro de una hormiga al permitirle mover sus piernas. En un auto, la energía le permite a la máquina trabajar al mover las ruedas. Casi siempre que algo se mueve o cambia, se usa energía. 

Algunas formas de energía pueden ser descritas como si tuvieran dos estados diferentes. La energía potencial es energía que está asociada con la posición de un objeto relativa a un campo de fuerza. Se puede pensar que es una energía que está guardada, que todavía no está en uso. Por ejemplo, cuando uno levanta un peso pesado y lo mantiene levantado, el peso tiene una energía potencial por su posición relativa a la fuerza de gravedad que lo empuja hacia abajo. Si el peso fuera soltado y empezara a caerse, la energía potencial que posee, se convertiría en energía kinética, que es la energía del movimiento.

Tratemos un experimento:
Imagine que tiene un peso pesado atado a una cuerda y a una polea. Mientras tira de la cuerda para levantar el peso más arriba, el peso se mueve contra la fuerza de gravedad y gana energía potencial. Cuanto arriba que levanta el peso, más energía potencial tendrá el objeto. Si suelta la cuerda y deja caer el peso, la energía kinética sería liberada en una cantidad igual a la energía potencial que el objeto tenía anteriormente. La energía kinética está relacionada con el movimiento de un objeto, así que mientras el peso adquiere velocidad durante su caídda, su energía kinética aumenta. Puede hacer este experimento. El enlace le permite levantar y dejar caer un peso de 100 kg. Puede observar como la energía potencial y kinética están relacionadas al 'congelar' el peso a diferentes alturas durante su caída (trate de no dejar caer el objeto en sus pies).


Medir la Energía

Hay muchas maneras diferentes de medir la energía que acompaña algún tipo de cambio. Una manera común de hacerlo es usar una unidad de energía llamada Joule. Un Joule es una cantidad de energía que se necesita para levantar un peso de una libra a una altura de nueve pulgadas. El nombre de Joule proviene del científico británico James Prescott Joule. Joule fue uno de los primeros científicos en demostrar que una forma de energía puede ser convertida en otras formas. En el famoso experimento de Joule 'rueda de paleta', usó un peso que se caía para jalar una cuerda que daba vuelta a la rueda de paleta sumergida en un cubo de agua. Joule descubrió que la energía mecánica que el peso descendente soltaba era convertida por la rueda de paleta en energía proveniente del calor. Joule midió la cantidad de energía absorbida por el agua registrando la temperatura del agua antes y después que la rueda de la paleta empezara a moverse (la temperatura es una manera de medir la energía proveniente del calor tal como se discutió en otra lección). Joule descubrió que un aumento en la temperatura del agua estaba directamente relacionado con la cantidad de energía liberada. Joule demostró que hay una relación exacta que gobierna la conversión de una forma de energía a otra. 

 

A través de sus experimentos, Joule ayudó a descubrir que la energía se conserva durante su conversión a otras formas. El concepto de la conservación de la energía se reconoce actualmente como la primera parte de una serie de leyes que define la transferencia y el comportamiento de la energía. Estas leyes son llamadas las Leyes de Termodinámica, y esta es la descripción de las dos primeras. 

La Primera Ley de Termodinámica, a veces conocida como la ley de conservación de energía, enuncia que la energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede ser convertida de una forma a otra. En otras palabras, cuando Joule dejó caer el peso que volcó la rueda de paleta, la energía mecánica liberada no se gastó, se convirtió en energía proveniente del calor, causando así que la temperatura del agua aumentase. La primera ley de termodinámica argumenta que la totalidad de la cantidad de energía presente en el universo es constante. 

La Segunda Ley de Termodinámica es un poco más complicada y está relacionada con el concepto de entropía. Entropía es la medida de la energía y materia desordenada o al azar en un sistema. La segunda ley de termodinámica enuncia que la entropía siempre aumenta en un sistema cerrado. Prácticamente, esto significa que la energía fluye 'hacia abajo', de un estado más alto a uno más bajo. Por ejemplo, si un objeto frío o caliente están uno al lado de otro, el calor pasará del objeto caliente al frío, y no al revés. Esto también quiere decir que la energía fluye de una forma de grado alto (por ejemplo energía mecánica) a formas bajas (por ejemplo calor). La rueda de Joule no sólo calentó el agua del cubo, sino que también aumentó la entropía del sistema, mezclando el agua y aumentando su evaporación. La segunda ley implica que la entropía total del universo siempre está aumentando. 


Conceptos Clave

  • Existen muchas diferentes formas de energía, todas las cuales tiene la habilidad de causa cambio y realizar trabajo.
  • Joule midió conversiones de energía dentro de un sistema, llevándolo al desarrollo de las primera y segunda ley de la termodinámica
  • La energía se puede convertir de una forma a otra, pero la cantidad total de la energía en un sistema se mantiene igual que la entropía se incrementa

Lectura Adicional


Anthony Carpi, Ph.D. “Energía” Visionlearning Vol. PHY-1 (5), 2003.

Leyes de Termodinámicas:
1. No puedes ganar. 
2. No puedes empatar. 
3. No puedes dejar de jugar.
— Anónimo