La transformación de la energía y la ley de la conservación de la energía

DEL AULA

La transformación de la

ENERGÍA Y LA LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Héctor Domínguez Álvarez*

La energía es un agente vital que hace que los objetos

se muevan o cambien de posición o estado. La energía se presenta con diferentes caras o apariencias y se manifiesta como un cambio de velocidad, de altura, o como diferentes tipos de radiación electromagnética o vibraciones en las moléculas y átomos de un cuerpo, que generan calor.

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en la vida diaria usamos el concepto de energía para referirnos a nuestro estado físico o mental. Cuando nos sentimos con energía, emprendemos las tareas con ímpetu y entusiasmo; cuando carecemos de ella, sentimos cansancio y decimos que “nuestra pila está baja”. En este caso, la energía de nuestro organismo tiene su origen en nuestra alimentación y respiración. Más que intentar definir la energía, es importante entender cómo se comporta ésta en diversas situaciones, algunas de ellas comunes, y cómo se transforma de un tipo a otro. La energía adopta muchas formas, entre las que se incluye la energía cinética, asociada al movimiento; la energía potencial, relacionada con la posición; la energía térmica, asociada al movimiento de las moléculas y átomos de un cuerpo o sustancia; y la energía química, que se obtiene a partir de reacciones químicas.

Para entender mejor la transformación de la energía, analicemos varios ejemplos y situaciones, muchas de ellas presentes en nuestra vida diaria.

* Divulgador adscrito a la Dirección General de Divulgación de la Ciencia de la UNAM.

a)

Imaginemos a una persona que toma un arco y una flecha con el propósito de lanzarla contra un blanco. Coloca la flecha sobre la cuerda y jala ésta una cierta distancia a fin de tensar el arco. Al soltar la cuerda, la energía potencial de la cuerda se convierte en energía cinética de la flecha. Cuando la flecha llega al blanco, lo penetra. Una parte de la energía cinética es la responsable de separar las moléculas del blanco penetrado por la flecha y otra parte se convierte en energía calorífica.

b) Si se conecta un foco a un contacto eléctrico, la energía eléctrica que llega a nuestra casa hará que el foco se encienda y Si t f t t lé t i l í lé se conec a un oco a un contacto eléc r co, a energ a eléctrica que llega a nuestra casa hará que el foco se encienda y nos proporcione energía luminosa para alumbrarnos y enernos proporcione energía luminosa para alumbrarnos y enerergía térmica para calentarnos. Esta última la podemos sentir si gía térmica para calentarnos. Esta última la podemos sentir r si aproximamos una mano al foco. En este sencillo ejemplo, la aproximamos una mano al foco. En este sencillo ejemplo, la energía se ha transformado de energía eléctrica en energía energía se ha transformado de energía eléctrica en energía luminosa y energía térmica. luminosa y energía térmica.

c) La gasolina que usan los automóviles es un combustible que guarda una cantidad importante de energía química, la cual La gasolina que usan los automóviles es un combustible que guarda una cantidad importante de energía química, la cual se liberará cuando entre en contacto con un objeto incandescente como una chispa o una flama, reaccionando con el oxígeno del aire. En el caso de los automóviles, la energía se oxígeno del aire. En el caso de los automóviles, la energía se e libera a través de una pequeña explosión controlada dentro libera a través de una pequeña explosión controlada dentro o de los pistones del motor que, al expandirse, pone el motor de los pistones del motor que, al expandirse, pone el motor en marcha y hace que el automóvil se mueva. En este caso, en marcha y hace que el automóvil se mueva. En este caso, la energía química se transforma en energía calorífica, y ésta, la energía química se transforma en energía calorífica, y ésta, en energía cinética. en energía cinética.

d)

El Sol, que es la estrella más cercana a nuestro planeta, envía continuamente hacia la Tierra energía de diferentes tipos, entre los que destacan la luz y el calor. Por cierto, sin estas formas de energía, la vida, como la conocemos, sería imposible en la Tierra. El Sol genera esa energía por una conversión energética llamada fusión nuclear que se lleva a cabo en su interior, donde se dan muy altas presiones y temperaturas muy elevadas. Esto hace que se fundan los núcleos de átomos de hidrógeno y se conviertan en núcleos de helio, proceso que se llama fusión termonuclear y en la cual se transforman pequeñas cantidades de masa en extraordinarias cantidades de energía. Una pequeña parte de esa energía producida dentro del Sol llega a la Tierra como energía luminosa y energía calorífica, entre otros tipos. Parte de la energía calorífica sirve para evaporar el agua superficial de los mares y océanos. El vapor de agua asciende a importantes alturas y tiempo después se precipita, por la gravedad, en forma de lluvia que sirve para llenar las presas. Por su posición elevada, el agua contenida en estos embalses, al dejarla caer, impulsa grandes turbinas que generan energía eléctrica. Esta energía viaja por las líneas de transmisión hasta los hogares, donde se usa para el alumbrado y para hacer funcionar una gran cantidad de electrodomésticos.

En la clase, se puede formular la siguiente pregunta: ¿Cuáles son las transformaciones de energía que se identifican en la situación anterior?

e) Otro sencillo ejemplo de la transformación de la energía es la que ocurre al conectar una secadora de pelo a un contacla que ocurre al conectar una secadora de pelo a un contacto de energía eléctrica. Al encender la secadora, la energía to de energía eléctrica. Al encender la secadora, la energía ía eléctrica se convierte en energía mecánica que hace girar eléctrica se convierte en energía mecánica que hace giirar un pequeño motor dentro de la secadora, otra parte de la un pequeño motor dentro de la secadora, otra parte de la energía eléctrica sirve para calentar una pequeña resistencia energía eléctrica sirve para calentar una pequeña resistencia y generar energía térmica, y finalmente la secadora emite un y generar energía térmica, y finalmente la secadora emite un sonido al estar funcionando, que es otra forma de la energía. sonido al estar funcionando, que es otra forma de la energía.

f) Quien se haya subido a un columpio o a una montaña rusa, habrá experimentado las conversiones de energía potencial en energía cinética y viceversa. Para ilustrar esta conversión, consideremos el vaivén de un columpio (figura 1).

Cuando éste se encuentra a su máxima altura (posición A), la energía potencial, asociada a la altura, es máxima, y en ese instante la velocidad del columpio es cero, por lo que la energía cinética es nula. En la medida que el columpio desciende, la energía potencial disminuye y la energía cinética aumenta. Cuando pasa por la posición de equilibrio (posición B), la energía potencial es mínima y la energía cinética es máxima. Al ir subiendo en el extremo contrario, la energía cinética va disminuyendo y la energía potencial aumentando hasta llegar a la posición con máxima altura, en donde la energía potencial es máxima y cero la energía cinética (posición C). A partir de esta posición, el columpio empieza a descender para repetir esta conversión. La descripción muestra claramente la transformación de la energía potencial en cinética y viceversa. Por cierto, la energía mecánica se define como la suma de la energía potencial más la energía cinética.

Ahora bien, de acuerdo con nuestra experiencia, ¿acaso esta transformación de la energía se mantiene constante al paso del tiempo? La respuesta

A

C

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B

Figura 1. Transformación de la energía potencial en cinética y viceversa

es no, ya que si se deja de empujar al columpio, su vaivén se va atenuando hasta que el columpio queda en reposo. ¿Por qué? Porque al moverse el columpio, existe una fricción, que se traduce en energía térmica, entre los lazos o cadenas del columpio con la estructura que lo sostiene, además de existir otra fricción del columpio y de nuestro cuerpo con el aire, que produce un ligero aumento en la temperatura de éste. ¿Qué ocurre cuando nos subimos a una montaña rusa? Inicialmente, con la ayuda de un motor, se elevan los carros de la misma hasta alcanzar una máxima altura y, por lo tanto, una cantidad importante de energía potencial. A partir de este punto se deja que la fuerza de la gravedad que nuestro planeta ejerce sobre todos los cuerpos que estamos sobre o cerca de su superficie, se encargue de jalar hacia abajo los carros de la montaña con una energía cinética suficiente para que puedan subir y bajar en varios tramos del recorrido, de modo que es necesario un mecanismo para que se frenen los carros. En este recorrido podemos experimentar en forma continua los cambios de energía cinética y potencial. También en este caso se generan pequeñas cantidades de energía térmica en las vías de la montaña y en el aire, debido a la fricción de las ruedas del carro con las vías y a la fricción de los carros de la montaña y de nuestro cuerpo con el aire.

En los ejemplos anteriores, se destaca cómo la energía se va transformando, ¿pero qué ocurre con la magnitud de la energía?, ¿disminuye, crece o se mantiene constante? En la mayoría de los casos, pareciera que la energía va disminuyendo hasta “apagarse” como el caso del columpio, del arco y la flecha, y la secadora de pelo. Sin embargo, hay que destacar que existen formas de la energía que producen efectos no visibles, como las ondas sonoras y las ondas infrarrojas, entre otras.

En 1843, el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889) realizó un experimento crucial donde la energía potencial gravitatoria de un par de

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Aislador térmico

James Prescott Joule y el experimento que realizó en 1843 sobre la convesión de energía mecánica en energía térmica

pesos que caen por efecto de la gravedad provocan el movimiento de una rueda con paletas que rotan dentro de un recipiente cerrado con agua en su interior. La fricción de las paletas con el agua provoca el incremento de la temperatura del agua. Joule encontró que la energía mecánica se convierte en energía térmica; es más, pudo precisar el equivalente mecánico del calor, ya que determinó que para aumentar 1 °C la temperatura de 1 gramo de agua, se requieren 4.15 joules.

Este experimento contribuyó al establecimiento de uno de los principios más importantes de la física. A partir de él y de diversos estudios sobre la transformación de la energía a lo largo de muchos años, se pudo concretar una de las grandes generalizaciones de la física: la ley de la conservación de la energía, que establece:

La energía no se puede crear ni destruir; se puede transformar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía nunca cambia, se mantiene constante.

En las situaciones antes descritas, debemos considerar la presencia de la atmósfera que, aunque no la veamos, forma parte de nuestro sistema y en muchos casos es receptora de la energía en forma de calor, vibraciones o radiación.