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Conservación de energía

1847

Émilie du Châtelet
Julius Robert von Mayer
James Prescott Joule
Hermann von Helmholtz

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Principio fundamental que establece que la energía total de un sistema aislado permanece constante a lo largo del tiempo. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra, como por ejemplo de energía potencial a energía cinética. En la física clásica... mecánica, para sistemas con solo fuerzas conservativas, la energía mecánica total [latex]E = T + V[/latex] se conserva.

La ley de conservación de la energía es uno de los principios más fundamentales y de aplicación universal en toda la ciencia. Su desarrollo abarcó siglos, evolucionando desde las primeras ideas sobre el movimiento hasta una formulación matemática precisa en el siglo XIX que unificó la mecánica, el calor y la química.

En el contexto de la mecánica clásica, el principio se observa con mayor claridad en sistemas sometidos únicamente a fuerzas conservativas, como la gravedad o la fuerza de un resorte ideal. Una fuerza es conservativa si el trabajo que realiza sobre un objeto que se mueve entre dos puntos es independiente de la trayectoria seguida. Para tales fuerzas, se puede definir una función de energía potencial [latex]V[/latex]. El teorema del trabajo y la energía establece que el trabajo neto realizado sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética, [latex]W_{net} = \Delta T[/latex]. Para las fuerzas conservativas, este trabajo puede expresarse como el cambio negativo en la energía potencial, [latex]W_{cons} = -\Delta V[/latex]. Combinando esto se obtiene [latex]\Delta T = -\Delta V[/latex], o [latex]\Delta T + \Delta V = \Delta(T+V) = 0[/latex]. Esto muestra que la energía mecánica total, [latex]E = T + V[/latex], es una constante del movimiento.

Cuando existen fuerzas no conservativas, como la fricción, la energía mecánica no se conserva; normalmente se disipa en forma de calor. Sin embargo, la energía total del sistema aislado, incluida esta energía térmica, se conserva. Este principio más amplio es la Primera Ley de la Termodinámica.

En el siglo XX, el teorema de Emmy Noether proporcionó una comprensión más profunda de esta ley. Demostró que la conservación de la energía es una consecuencia matemática directa de una simetría fundamental del universo: el hecho de que las leyes de la física no cambian con el tiempo (invarianza de traslación temporal).

Energía, Entalpía, Cinemática, Ingeniería Mecánica, Física, Energía renovable, Termodinámica

UNESCO Nomenclature: 2211

– Física

Tipo

Derecho físico

Ruptura

Revolucionario

Uso

Uso generalizado

Precursores

Concepto de vis viva (Gottfried Leibniz)
Estudios sobre el calor y el trabajo (Sadi Carnot, Émile Clapeyron)
Mecánica newtoniana
Los experimentos de Galileo con péndulos

Aplicaciones

generación de energía (presas hidroeléctricas, centrales térmicas)
termodinámica y diseño de motores
análisis de reacciones químicas (entalpía)
diseño de montaña rusa
Comprender los procesos metabólicos en biología

Patentes:

Ideas para posibles innovaciones

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Relacionado con: conservación de la energía, energía cinética, energía potencial, teorema del trabajo y la energía, termodinámica, sistema aislado, teorema de Noether, fuerza conservativa.

Contexto histórico

Celda Daniell con electrodos de cobre y zinc en un laboratorio de electroquímica.

Operación de la célula Daniell

Una mejora de la pila voltaica, la celda Daniell consta de un electrodo de cobre en una solución de sulfato de cobre(II) y un electrodo de zinc en una solución de sulfato de zinc, separados por una barrera porosa. Este diseño de dos fluidos evita la acumulación de hidrógeno (polarización) en el electrodo de cobre, lo que resulta en una fuente de voltaje mucho más estable y fiable durante más tiempo.

El efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico es la generación de voltaje y corriente eléctrica en un material al exponerlo a la luz. Es un fenómeno físico-químico. Una aplicación común es la célula solar, que utiliza este efecto para convertir la luz solar directamente en electricidad. El efecto se basa en que los fotones de luz excitan a los electrones a un estado de mayor energía.

Laboratorio del siglo XIX con instrumentos termodinámicos y ecuaciones de relación de Mayer.

Relación de Mayer (termodinámica)

La relación de Mayer relaciona los calores específicos de un gas perfecto con la constante específica de los gases ([latex]R_s[/latex]). La relación es [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Para los calores específicos molares ([latex]C_p[/latex] y [latex]C_v[/latex]), la relación es [latex]C_p - C_v = R[/latex], donde [latex]R[/latex] es la constante universal de los gases. Esto demuestra que [latex]c_p[/latex] es siempre mayor que [latex]c_v[/latex].

Conservación de energía

Montaje de laboratorio para medir la viscosidad de los fluidos a distintas temperaturas en termodinámica.

Dependencia de la temperatura de la viscosidad

En un fluido newtoniano, la viscosidad es función de la temperatura y la presión, pero no de la velocidad de cizallamiento. En líquidos, la viscosidad disminuye significativamente al aumentar la temperatura, ya que una mayor energía térmica permite que las moléculas superen las fuerzas intermoleculares cohesivas con mayor facilidad. Por el contrario, en gases, la viscosidad aumenta con la temperatura, ya que las colisiones moleculares más frecuentes a mayor velocidad provocan una mayor transferencia de momento.

Primera ley de la termodinámica

La Primera Ley es un enunciado de la conservación de la energía. Postula que el cambio en la energía interna de un sistema cerrado ([latex]\Delta U[/latex]) es igual al calor suministrado al sistema ([latex]Q[/latex]) menos el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno ([latex]W[/latex]). La ecuación rectora es [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Esta ley relaciona el calor, el trabajo y la energía interna, estableciendo el calor como una forma de transferencia de energía.

Químico realizando experimentos con catalizadores en un laboratorio de época, 1850.

Catalizador en equilibrio químico

Un catalizador aumenta la velocidad de las reacciones directa e inversa por igual al proporcionar una vía de reacción alternativa con menor energía de activación. Si bien un catalizador permite que un sistema alcance el equilibrio mucho más rápido, no altera la posición del equilibrio en sí. Las concentraciones de equilibrio de reactivos y productos, así como el valor de la constante de equilibrio K, permanecen inalterados.

1836

1839-01-01

1842

1847

1850

1835

1838

1841

1845

1850

Catálisis

La catálisis es el proceso de aumentar la velocidad de una reacción química añadiendo una sustancia conocida como catalizador. Los catalizadores no se consumen en la reacción y permanecen inalterados. Funcionan proporcionando una vía de reacción alternativa con una energía de activación más baja ([latex]E_a[/latex]), acelerando así tanto la reacción directa como la inversa sin alterar la termodinámica general ([latex]\Delta H[/latex]).

Pila de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte directamente la energía química de un combustible, generalmente hidrógeno, y un agente oxidante, a menudo oxígeno, en electricidad. A diferencia de una batería, requiere un suministro externo continuo de combustible y oxidante para funcionar. Los componentes principales son un ánodo, un cátodo y un electrolito que los separa, facilitando el transporte de iones.

Demostración del calentamiento Joule en un laboratorio antiguo con aparatos eléctricos.

Calefacción Joule y energía eléctrica

El calentamiento Joule, o calentamiento óhmico, es el fenómeno en el que se produce calor por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor. La tasa de generación de calor, o potencia disipada ([latex]P[/latex]), viene dada por la primera ley de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando esto con la ley de Ohm, la potencia puede expresarse como [latex]P = I^2 R[/latex] o [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

Aparato de laboratorio para medir la energía interna y la entalpía de un gas perfecto en termodinámica.

Energía interna y entalpía de un gas perfecto

Para un gas perfecto, la energía interna ([latex]U[/latex]) y la entalpía ([latex]H[/latex]) son sólo funciones de la temperatura. Sus cambios vienen dados por [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] y [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], donde [latex]c_v[/latex] y [latex]c_p[/latex] son los calores específicos a volumen y presión constantes, respectivamente, y se suponen constantes.

Investigador probando las propiedades viscoelásticas de un polímero sintético en un laboratorio.

Viscoelasticidad

La viscoelasticidad es la propiedad de los materiales que presentan características viscosas y elásticas al deformarse. Los materiales viscosos, como la miel, resisten el flujo cortante y la deformación linealmente con el tiempo cuando se les aplica una tensión. Los materiales elásticos, como una banda elástica, se deforman al estirarse y vuelven rápidamente a su estado original una vez que se elimina la tensión. Los materiales viscoelásticos tienen elementos de ambos.

Científico midiendo la sublimación en un laboratorio antiguo, estudio de termodinámica.

Enthalpy of Sublimation

La entalpía de sublimación, [latex]\Delta H_{text{sub}}[/latex], es el calor necesario para convertir un mol de una sustancia de sólido a gas a una temperatura y presión dadas. Según la Ley de Hess, puesto que la entalpía es una función de estado, este cambio de energía es la suma de la entalpía de fusión ([latex]\Delta H_{text{fus}}[/latex]) y la entalpía de vaporización ([latex]\Delta H_{text{vap}}[/latex]).