1.6: ¿Qué es la Energía?

El universo está compuesto de materia en diferentes formas y todas las formas de materia contienen energía.  Las diferentes formas de energía en la Tierra provienen del Sol — la última fuente de energía. Las plantas capturan la energía lumínica del Sol y, a través del proceso de fotosíntesis, la convierten en energía química. Esta energía almacenada de las plantas puede ser aprovechada de muchas maneras. Por ejemplo, comer productos vegetales como alimento proporciona energía para que nuestro cuerpo funcione y quemar madera o carbón (plantas fosilizadas) genera calor y electricidad. Por lo tanto, como todos los cambios de la materia implican cambios en la energía, es vital entender cómo fluye la energía de una forma a la otra. 

La energía se define como la capacidad de hacer trabajo. El trabajo se realiza cuando una fuerza aplicada a un objeto hace que el objeto se mueva en contra de una fuerza opuesta. Por ejemplo, se realiza trabajo cuando se empuja una mesa a través de una habitación contra la resistencia del suelo. 

La energía se puede agrupar en dos tipos principales－energía potencial y energía cinética. La energía potencial es la energía asociada con la posición, composición o condición relativa de un objeto. La energía cinética es la energía asociada con el movimiento del objeto. Por ejemplo, el agua retenida detrás de una presa posee energía potencial debido a su posición sobre el suelo. Cuando fluye hacia abajo a través de los generadores, obtiene energía cinética, que puede ponerse a trabajar para generar electricidad en una central hidroeléctrica.

Energía potencial

La energía potencial también se conoce como energía en reposo o energía almacenada. Los tipos comunes de energía potencial incluyen la energía potencial gravitacional almacenada en una manzana que cuelga de un árbol,  la energía potencial eléctrica almacenada en un objeto debido a la atracción o repulsión de cargas eléctricas, o la energía potencial química almacenada en los enlaces entre átomos y moléculas. Además, la energía nuclear almacenada en un núcleo atómico y la energía elástica almacenada en un resorte estirado debido a su configuración son tipos de energía potencial.

Normalmente, los objetos o sistemas con energía de alto potencial tienden a ser menos estables y, por lo tanto, se mueven hacia niveles de energía más bajos para lograr estabilidad. Por ejemplo, el elemento radiactivo Uranio-235 (U²³⁵) tiene un núcleo inestable. Para ganar estabilidad, se divide en elementos más pequeños pero estables y libera la energía nuclear almacenada. Esta energía liberada puede entonces ser utilizada para generar electricidad en centrales nucleares.  

Energía cinética

La cantidad de energía cinética de un objeto depende de su masa y velocidad. Considere dos bolas de diferentes masas que ruedan por un plano inclinado a la misma velocidad. La bola más pesada tendrá más energía cinética. Del mismo modo, cuando dos bolas de la misma masa se desplazan por un plano inclinado a diferentes velocidades, la bola que se mueve más rápido tiene más energía cinética.  

También existen diferentes formas de energía cinética, incluyendo mecánica, eléctrica, radiante, sonora, y energía térmica. La energía mecánica se asocia con el movimiento de un objeto. Cuanto más rápido se mueve un objeto, más energía mecánica tiene.  Por ejemplo, una bala disparada desde una pistola o el agua que fluye por una presa son ejemplos de energía mecánica. La energía eléctrica se atribuye al flujo de cargas eléctricas, como se observa en el caso de los relámpagos durante las tormentas eléctricas o en los circuitos y dispositivos eléctricos cotidianos. La energía radiante es la forma de energía cinética que viaja como ondas electromagnéticas y puede ser experimentada en forma de luz y calor. La luz del sol es un ejemplo de energía radiante.

La energía térmica está asociada con el movimiento aleatorio de átomos y moléculas. Cuando los átomos y moléculas de un objeto se mueven o vibran rápidamente, tienen una energía cinética promedio (KE) más alta y se dice que el objeto está “caliente.” Cuando los átomos y las moléculas se mueven lentamente, tienen una KE promedio más baja y el objeto se designa como “frío”. Por lo tanto, la energía térmica se puede observar a través de los cambios de temperatura de un objeto. Suponiendo que no se produce ninguna reacción química o cambio de fase (como fusión o vaporización), el aumento de la cantidad de energía térmica en una muestra de materia hará que su temperatura aumente. De manera similar, suponiendo que no se produce ninguna reacción química o cambio de fase (como condensación o congelación), la disminución de la cantidad de energía térmica en una muestra de materia hará que su temperatura disminuya.

La Ley de Conservación de la Energía

La energía puede convertirse de una forma a otra, pero la energía total presente antes de un cambio siempre existe en alguna forma incluso después de un cambio. Esta observación se expresa como la Ley de Conservación de la Energía. La Ley de Conservación de la Energía establece que la energía no es creada ni destruida, aunque puede ser cambiada en forma. Así, la energía total de un sistema permanece constante. Por ejemplo, la energía química (un tipo de energía potencial) se almacena en las moléculas que componen la gasolina. Cuando se quema gasolina dentro de los cilindros del motor de un automóvil, los productos gaseosos de rápida expansión de esta reacción química generan energía mecánica (un tipo de energía cinética) cuando mueven los pistones del cilindro.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 5,1: Fundamentos de la Energía.

La energía se define como la capacidad de producir trabajo. El trabajo se define como la distancia recorrida por un cuerpo como respuesta a una fuerza que se le aplica. Por ejemplo, cuando se levanta un libro del suelo y se pone sobre la mesa, se produce trabajo contra la fuerza de gravedad.

La energía se clasifica en dos tipos principales:potencial y cinética. La energía potencial es la energía asociada con la posición, composición o condición de un cuerpo. También se le conoce como energía en reposo o energía almacenada.

Por ejemplo, el libro que está sostenido sobre el suelo, en la mesa, tiene energía potencial debido a la altura en la que se encuentra. Esta energía potencial se mantiene almacenada en el libro mientras esté sostenido en esa posición. Entre las distintas formas de energía potencial se encuentran la energía potencial gravitatoria, la energía potencial eléctrica, la energía potencial química, la energía nuclear y la energía elástica.

La energía potencial gravitatoria es la forma más evidente de energía potencial, y depende de la posición relativa del cuerpo bajo la influencia del campo gravitacional. Por ejemplo, el libro que se sostiene sobre la mesa tiene energía potencial gravitatoria almacenada en él. La energía potencial eléctrica resulta de la atracción o repulsión de cargas eléctricas, como en el caso de la energía almacenada dentro de un condensador en un circuito eléctrico, la cual se encuentra en forma de energía potencial eléctrica.

La energía potencial química es la energía almacenada en las moléculas. Por ejemplo, la madera seca almacena energía potencial química, la cual se libera y se convierte en otras formas de energía cuando la madera se quema. La energía nuclear proviene del núcleo atómico.

y la energía elástica es la que está almacenada en un cuerpo debido a su configuración, como en el caso de una resortera estirada. La energía cinética es aquella asociada con el movimiento de un cuerpo. Por ejemplo, cuando el libro se cae de la mesa, su energía potencial se convierte en energía cinética debido al movimiento.

La energía cinética también existe en distintas formas, Como la energía mecánica, eléctrica, térmica y radiante. Mientras que la energía mecánica se debe al movimiento mecánico de un cuerpo, como un auto en movimiento, la energía eléctrica está formada por el flujo de cargas eléctricas, como en los relámpagos. Cuando la energía cinética está en forma de ondas electromagnéticas, como la energía de la luz solar, esta se convierte en energía radiante.

La energía térmica es la energía cinética asociada con el movimiento de los átomos y moléculas en un cuerpo. Cuando los átomos y moléculas dentro de un cuerpo se mueven o vibran rápidamente y colisionan con más frecuencia entre ellos, la temperatura del cuerpo aumenta. El calor de una llama ardiente es un ejemplo de energía térmica.

Lo contrario sucede cuando las vibraciones o movimientos de estos átomos y moléculas se ralentizan. Entonces, se dice que el cuerpo está frío y tiene una energía térmica baja, como cuando el agua se congela. Todas estas diferentes formas facilitan el flujo de energía de un tipo a otro, o de un cuerpo a otro, para realizar el trabajo.

La ley de conservación de la energía postula que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma en otros tipos de energía. Por lo tanto, la cantidad de energía total del sistema se conserva. En el tiro con arco, por ejemplo, una flecha sostenida en un arco estirado contiene energía potencial elástica.

Cuando el arco se suelta, esta energía potencial se convierte en energía cinética de la flecha y esta es impulsada hacia adelante para dar en el blanco. De nuevo, la energía total permanece invariable.