Qué es Energía – Física – Definición

¿Qué es energía? La energía es una cantidad física escalar. La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor. La energía total no puede ser creada o destruida. Ingenieria termal

Qué es energía

El sol
El Sol genera su energía por fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio. En su núcleo, el Sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno por segundo.
Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

El término energía es muy amplio y tiene muchas definiciones. Técnicamente, la energía es una cantidad física escalar que está asociada con el estado de uno o más objetos. La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor . A veces es como la “moneda” para realizar el trabajo. Debes tener energía para realizar el trabajo. Para hacer 1 kilojulio de trabajo, debe gastar 1 kilojulio de energía. Debe agregarse, esta interpretación puede ser engañosa porque la energía no está necesariamente disponible para hacer el trabajo.

Una de las propiedades más maravillosas del universo es que la energía puede transformarse de un tipo a otro y transferirse de un objeto a otro. Además, cuando se transforma de un tipo a otro y se transfiere de un objeto a otro, la cantidad total de energía es siempre la misma . Es una de las propiedades elementales del universo.

Por ejemplo, quemar gasolina para impulsar automóviles es un proceso de conversión de energía en el que confiamos. La energía química en la gasolina se convierte en energía térmica , que luego se convierte en energía mecánica que hace que el automóvil se mueva. La energía mecánica se ha convertido en energía cinética . Cuando usamos los frenos para detener un automóvil, esa energía cinética se convierte por fricción en calor o energía térmica .

Unidades de energía

La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor. Esta definición hace que la unidad SI para la energía sea la misma que la unidad de trabajo: el joule (J) . Joule es una unidad de energía derivada y lleva el nombre en honor de James Prescott Joule y sus experimentos sobre el equivalente mecánico del calor. En términos más fundamentales, 1 julio es igual a:

1 J = 1 kg.m 2 / s 2

Dado que la energía es una cantidad física fundamental y se usa en varias ramas físicas y de ingeniería, hay muchas unidades en física e ingeniería. Estas unidades se resumen en los siguientes puntos:

  • Joule (unidad: J)
  • Calorías (unidad: cal)
  • Unidad térmica británica (unidad: BTU)
  • Fuerza pie-libra (unidad: ft.lbf)
  • Kilovatio-hora (unidad: kWh)
  • Megavatio-día (unidad: MWd)
  • Electronvoltio (unidad: eV)

 

Ejemplos de energía de 1 julio

Un julio en la vida cotidiana y en la ciencia corresponde aproximadamente a:

  • La energía cinética de un objeto con una masa de 1 kg que se mueve a √2 ≈ 1.4 m / s .
  • La energía cinética de un objeto de 50 kg (p. Ej., Humano) que se mueve muy lentamente, aproximadamente 0,72 km / h .
  • La energía requerida para levantar una manzana de tamaño mediano ( 100 g ) a 1 metro verticalmente de la superficie de la Tierra.
  • El calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua por 0,24 ° C .
  • El calor requerido para evaporar de 0,00044 g de agua líquida a 100 ° C.
  • La cantidad de electricidad requerida para encender un LED de vatio durante 1 s .
  • Es liberado por aproximadamente 3.1 ⋅ 10 10 fisión en un reactor nuclear.

Formas de energia

La energía existe en muchas formas. Las formas de energía comunes incluyen energía mecánica que se divide clásicamente en energía cinética y energía potencial . La energía cinética está relacionada con la velocidad de un objeto en movimiento . La energía potencial está relacionada con la posición de un objeto en un campo de fuerza (gravitacional, eléctrico o magnético). La tensión en un resorte o tensión superficial de la película son otras formas de energía mecánica potencial (energía elástica). Existen muchas otras formas de energía, incluida la energía eléctrica, magnética, química y nuclear .

En termodinámica, el concepto de energía se amplía para tener en cuenta otros cambios observados. La termodinámica trata con otro tipo de energía llamada ” energía térmica ” o ” energía interna “. Las únicas formas en que se puede cambiar la energía de un sistema cerrado son mediante la transferencia de energía por trabajo o por calor . Además, según los experimentos de Joule y otros, un aspecto fundamental del concepto de energía es que la energía se conserva. Este principio se conoce como la primera ley de la termodinámica . En general, la energía es un concepto fundamental de la termodinámica y uno de los aspectos más significativos del análisis de ingeniería.

  • Energía mecánica
  • Energía cinética
  • Energía potencial
  • Energía gravitacional
  • Energía interna
  • Entalpía
  • Entropía
  • Energía libre de Gibbs
  • Energía eléctrica
  • Energía radiante
  • Energía de ionización
  • Energía nuclear

 

Equivalencia de masa-energía

Uno de los resultados sorprendentes de la teoría de la relatividad de Einstein es que la masa y la energía son equivalentes y convertibles , una en la otra. La famosa fórmula de Einstein describe la equivalencia de la masa y la energía:

E = MC2

, donde M es la pequeña cantidad de masa y C es la velocidad de la luz.

¿Qué significa eso? Si se genera la energía nuclear (división de átomos, fusión nuclear), una pequeña cantidad de masa (guardada en la energía de enlace nuclear ) se transforma en energía pura (como energía cinética, energía térmica o energía radiante).

El equivalente de energía de un gramo (1/1000 de un kilogramo) de masa es equivalente a:

  • 89,9 terajulios
  • 25.0 millones de kilovatios-hora (≈ 25 GW · h)
  • 21.5 billones de kilocalorías (≈ 21 Tcal)
  • 85,2 mil millones de BTU

o a la energía liberada por la combustión de lo siguiente:

  • 21,5 kilotones de energía equivalente a TNT (≈ 21 kt)
  • 568,000 galones estadounidenses de gasolina automotriz

Cada vez que se genera energía, el proceso puede evaluarse desde una perspectiva E = mc 2 .

Principio de Conservación de Energía

Una de las propiedades más maravillosas del universo es que la energía puede transformarse de un tipo a otro y transferirse de un objeto a otro . Además, cuando se transforma de un tipo a otro y se transfiere de un objeto a otro, la cantidad total de energía es siempre la misma . Es una de las propiedades elementales del universo.

En termodinámica, el concepto de energía se amplía para tener en cuenta otros cambios observados, y el principio de conservación de la energía se extiende para incluir una amplia variedad de formas en que los sistemas interactúan con su entorno. Las únicas formas en que se puede cambiar la energía de un sistema cerrado son mediante la transferencia de energía por trabajo o por calor . Además, según los experimentos de Joule y otros, un aspecto fundamental del concepto de energía es que la energía se conserva. Este principio se conoce como  la primera ley de la termodinámica . La primera ley de la termodinámica se puede escribir en varias formas:

En palabras:

primera ley de la termodinámica en palabras

conservación de energía en termodinámica
Diseño físico de los cuatro dispositivos principales utilizados en el ciclo de Rankine y las transferencias de energía básicas.

Forma de ecuación:

IntE int = Q – W

donde int representa la energía interna del material, que depende solo del estado del material (temperatura, presión y volumen). Q es el calor neto agregado al sistema y W es el trabajo neto realizado por el sistema. Debemos ser cuidadosos y consistentes al seguir las convenciones de signos para Q y W. Como W en la ecuación es el trabajo realizado por el sistema, entonces si el trabajo se realiza en el sistema, W será negativo y E int aumentará.

Del mismo modo, Q es positivo para el calor agregado al sistema, por lo que si el calor abandona el sistema, Q es negativo. Esto nos dice lo siguiente: la energía interna de un sistema tiende a aumentar si el sistema absorbe calor o si se realiza un trabajo positivo en el sistema. Por el contrario, la energía interna tiende a disminuir si el sistema pierde calor o si se realiza un trabajo negativo en el sistema. Debe agregarse que Q y W dependen de la ruta, mientras que E int es independiente de la ruta.

Forma diferencial:

dE int = dQ – dW

La energía interna E int de un sistema tiende a aumentar si se agrega energía como calor Q y tiende a disminuir si la energía se pierde como trabajo W realizado por el sistema.

Fuentes de energia

Suministro total de energía primaria
Suministro total de energía primaria por recurso 1993, 2011 y predicción para 2020.
Fuente: World Energy Resources – Encuesta 2013
Utilizado con permiso del Consejo Mundial de Energía

Las fuentes de energía siempre han jugado un papel muy importante en el desarrollo de la sociedad humana. Desde la revolución industrial, la energía ha sido una fuerza impulsora para el desarrollo de la civilización moderna. El desarrollo tecnológico y el consumo de energía primaria , junto con el aumento de la población mundial, son interdependientes. En los últimos 20 años, el mundo que nos rodea ha cambiado significativamente. La tecnología se ha convertido en uno de los principales impulsores del desarrollo económico y social. El rápido avance de la tecnología de la información (TI) en todo el mundo ha transformado no solo nuestra forma de pensar, sino también nuestra forma de actuar. Cabe señalar que prácticamente todas las tecnologías funcionan con energía eléctrica y, por lo tanto, la proporción de electricidad aumenta rápidamente, más rápido queSuministro total de energía primaria (TPES – la suma de la producción y las importaciones restando las exportaciones y los cambios de almacenamiento).

En la actualidad, el combustible fósil sigue siendo la fuente de energía predominante en el mundo y su extracción, producción y uso no se consideran eficientes, independientemente de las nuevas tecnologías disponibles para mejorar su uso y extracción. Al estudiar los recursos energéticos, tenemos que distinguir las fuentes de energía primaria y las fuentes de energía secundaria .

Fuentes de energía primaria

fuentes de energía primaria - tabla
Indicadores clave para 1993, 2011 y predicción para 2020.
Fuente: World Energy Resources – Encuesta 2013
utilizada con permiso del Consejo Mundial de Energía

La energía primaria (PE) es un recurso energético que se encuentra en la naturaleza y que no ha sido sometido a ningún proceso de conversión o transformación. Es la energía contenida en los combustibles crudos y otras formas de energía recibida como entrada a un sistema. Las fuentes de energía primaria toman muchas formas, incluida la energía nuclear, la energía fósil, como el petróleo, el carbón y el gas natural, y las fuentes renovables como la eólica, solar, geotérmica e hidroeléctrica. Estas fuentes primarias se pueden convertir en una fuente de energía secundaria, los llamados portadores de energía . Las fuentes de energía primaria se pueden dividir en:

  • Fuentes no renovables
    • Combustibles fósiles
      • Petróleo
      • Carbón
      • Gas natural
    • Combustibles minerales
      • Uranio natural
      • Torio natural
  • Recursos renovables
    • Energía solar
    • Energía eólica
    • Energía hidroeléctrica y mareomotriz
    • Energía geotérmica
    • Energía de biomasa (si se explota de forma sostenible)

Fuentes de Energía Secundarias – Portadores de Energía

Las fuentes de energía secundaria , también llamadas portadores de energía , se derivan de la transformación de las fuentes de energía primaria. Se llaman portadores de energía, porque mueven energía de una forma utilizable de un lugar a otro. Los portadores de energía conocidos son:

  • Electricidad
  • Gasolina
  • Hidrógeno

Electricidad e hidrógeno a partir de fuentes de energía primaria como el carbón, el gas natural, la energía nuclear, el petróleo y las fuentes de energía renovables. La electricidad es particularmente útil ya que tiene baja entropía (está muy ordenada) y puede convertirse en otras formas de energía de manera muy eficiente. Simplemente, no podemos decir que el hidrógeno tenga potencial para compensar los combustibles fósiles.

Se utilizan fuentes de energía secundarias, porque su uso es más fácil que el uso de una fuente de energía primaria. Por ejemplo, usar electricidad para encender es más seguro que usar petróleo en velas o lámparas de queroseno.

Por otro lado, cualquier conversión de energía primaria en portador de energía está asociada con alguna ineficiencia. Por lo tanto, cuando se trata de una fuente de energía secundaria, siempre debemos considerar la forma, cómo se hizo el portador.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.