Energía

La energía es un concepto central de la Física que sólo puede ser definido con precisión usando otros conceptos físicos. Su característica principal es que todos los experimentos hechos sobre ella muestran que las diferentes formas de energía se transforman unas en otras, pero en ese proceso se conserva la cantidad total de energía. La unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el Joule (símbolo J, a veces llamado Julio en castellano). La mayoría de las personas está más familiarizada con la unidad SI de potencia, correspondientes a la transferencia de 1 J por cada segundo, el Watt (W = J/s), porque es una característica identificada de todos los artefactos eléctricos. La unidad en que se factura la energía eléctrica, mal llamada luz, se expresa habitualmente en términos de la energía que consume durante 1 hora un artefacto cuya potencia es de 1.000 W (kW·h), que equivale a 3.600.000 J (3·10⁶ J).

¿Qué es la energía?

Para poder explicar qué es la energía habría que expresarla en términos de otras cosas más elementales, pero ésto no es posible. Hay que adquirir el concepto de energía comenzando con aquellas de sus propiedades que se pueden percibir, para luego incorporar aquellas otras que escapan a nuestros órganos de los sentidos. No se puede ver, escuchar, oler, degustar o palpar la energía, pero se puede hacerlo con algunas de sus manifestaciones, como el calor. Para comprender qué es la energía se deben identificar las señales que indican su presencia.

La energía no está uniformemente repartida en todo el espacio y en ciertos lugares hay mayor cantidad de ella que en otros. La energía está más concentrada, por ejemplo, donde hay materia: átomos, moléculas y partículas elementales como los electrones y protones. También hay mucha energía en lugares donde hay radiación intensa, como en las cercanías de una llama, de una estufa, de una lámpara muy potente o del sol, aunque allí no haya nada de materia ya que la radiación electromagnética, una forma de energía, no tiene masa. La energía, entonces, no es algo material, pero puede haber energía donde hay cosas materiales. El lenguaje, que refleja en gran medida nuestra experiencia sensorial, no tiene palabras apropiadas para designar el hecho de que en una región del espacio “haya” energía, y el término que más naturalmente surge es “contiene”. El problema es que decir que una región del espacio “contiene” mucha energía, erróneamente sugiere que se trata de algo material.

Aunque la energía es una magnitud física pasible de medición, no hay ningún medio conocido de medir la cantidad absoluta de energía que hay en una región cualquiera del espacio. Se sabe que cuando hay procesos de transferencia la cantidad total de energía es constante, que no se puede crear o destruir energía en esos procesos. Lo único que se puede medir en la etapa actual de la Física es la circulación de energía, la cantidad de ella que se transfiere de una región del espacio a otra, de un instante de tiempo a otro. Más aún, si la energía que hay en cada región del espacio no pudiera circular, aumentando en algunas regiones y disminuyendo en otras en el transcurso del tiempo, el concepto carecería totalmente de interés. Las únicas manifestaciones de la energía que podemos medir, son sus variaciones locales. Algunos físicos como Paul Dirac, por ejemplo, afirman que vivimos inmersos en una mar invisible de energías infinitas, positiva y negativa, del cual sólo tomamos conciencia cuando —por ejemplo— se crean pares de antipartículas (¿materia de la nada?) sin violar el principio de conservación de la energía. Es absurdo, por ello, hablar de la cantidad total de energía del universo.

Manifestaciones del flujo de energía

Las siguientes son algunas manifestaciones notorias del flujo de energía:

Cuando hay un cambio de posición relativa de dos o más cuerpos, les asociamos la presencia de una energía de movimiento, la energía cinética. Si todos los cuerpos del universo se movieran con la misma velocidad, el concepto de energía cinética carecería de sentido.
Un cuerpo cambia de velocidad o aceleración cuando experimenta una fuerza originada en otro cuerpo, que puede estar en contacto con el acelerado (como cuando empujamos a alguien) o no (como en el caso de las fuerzas gravitatorias y eléctricas que se ejercen a distancia). Cuando se usa esta manera macroscópica de transferir energía, para lo cual debe haber una fuerza y una trayectoria macroscópicamente identificables, se dice que se realiza trabajo. Este es uno de los métodos de transferencia de energía de interés tecnológico. La aceleración de cuerpos produce una variación de energía cinética cuyo valor es el del trabajo realizado. La energía cinética tiene un cero convencional, que no tienen las energías en general, que corresponde al estado de reposo respecto de un sistema inercial de referencia (concepto físico complejo definido por la Teoría de la Relatividad). También tiene un cero el trabajo realizado, que corresponde a la aplicación de fuerzas nulas.
Cuando la fuerza sobre un cuerpo se origina en otro cuerpo sin necesidad de que ambos estén en contacto ni medie ningún objeto material entre ellos, se introduce el concepto de campo, magnitud definida en todo el espacio, aunque decreciente a grandes distancias del cuerpo que lo origina (por ejemplo, campo gravitatorio g o campo eléctrico E). Es conveniente entonces asociar la energía al campo y considerarla distribuida en todo el espacio. En realidad los campos sólo se ponen de manifiesto cuando hay un cuerpo que cuyo estado es modificado de alguna forma por sus efectos. Reformulando en el nuevo lenguaje lo dicho en el punto anterior para este caso, los campos realizan trabajo sobre los cuerpos que sufren sus efectos (masas en el caso gravitatorio, cargas en el caso eléctrico). En el caso de los campos denominados conservativos (como el gravitatorio y el eléctrico), la variación de energía cinética debido al trabajo realizado sobre un cuerpo cualquiera no depende de la trayectoria recorrida sino solamente de las posiciones inicial y final. En estos casos (y sólo en estos casos) se puede asociar a cada punto del campo una energía potencial cuya variación es igual y de signo opuesto a la antedicha variación de energía cinética. Hay un cero convencional de la energía potencial originada por cuerpos finitos, que corresponde a las distancias infinitamente grandes de él, donde la fuerza que provocan es infinitesimalmente pequeña, pero se puede tomar convencionalmente cualquier valor como origen. En tales casos se conserva la suma de las variaciones de la energía cinética y la potencial (cuando una disminuye, aumenta en la misma cantidad la otra). Los campos conservativos proveen un medios de “almacenar” energía en cuerpos en reposo, recuperándola en forma de energía cinética cuando se los libera a la acción de las fuerzas generadas por el campo. Éste es el segundo método de transferencia de energía de interés tecnológico (caso de los relojes a pesas y de los contrapesos de los ascensores). Los campos no conservativos no permiten almacenar energía, pero pueden realizar trabajo, como las corrientes de un río sobre una balsa o el viento sobre un barco a vela, y corresponden al caso discutido en el primer punto.
Las únicas formas macroscópicamente visibles de energía cinética son aquellas en que todas las partículas materiales se mueven al unísono, caso de traslaciones, rotaciones o vibraciones de un cuerpo como un todo. Ésto no excluye que también las partículas microscópicas, incluidos los átomos y moléculas puedan experimentar variaciones de energía cinética, el problema es que no podemos verlas. Son ejemplos de ésto el movimiento browniano de partículas suspendidas en un líquido, las colisiones zizagueantes de las moléculas de un gas, las vibraciones y rotaciones moleculares que pueden detectarse en la espectroscopía infrarroja de cuerpos sólidos, el desplazamiento de electrones en un conductor conectado a los bornes de una batería eléctrica. Cuando aumenta la energía cinética de las partículas microscópicas, nuestro sentido del tacto interpreta este aumento como un calentamiento del cuerpo, es decir, como incremento de temperatura. Efectivamente, la temperatura es proporcional al promedio de la energía cinética de las moléculas.
Se puede calentar un cuerpo por trabajo mecánico, como en el roce de una lima contra un metal. También se lo puede calentar por contacto con otro más caliente (las colisiones moleculares no son perfectamente elásticas y tienden a igualar las energías cinéticas) o el calentamiento de un extremo de un cuerpo puede extenderse al resto del mismo. Hablamos en este caso de transmisión de calor, donde el fenómeno microscópico es la igualación de las energías cinéticas moleculares promedio. También se puede calentar un conductor eléctrico por el cual circula una corriente debido a las colisiones de los electrones con los átomos (efecto Joule), o por la disociación de moléculas que liberan componentes con mayor energía cinética (calor de disociación), o por la incidencia de radiación (fotones que excitan electrones a niveles de energía superiores que luego decaen generando vibraciones o rotaciones). El fenómeno de calentamiento puede ser producido por causas sumamente variadas y no está limitada a la transferencia de ninguna forma peculiar de energía: trabajo, energía cinética, energía potencial, energía nuclear y energía química, entre otras, pueden aumentar la temperatura de un cuerpo. El calentamiento no sólo genera aumento de temperatura, puede producir también, por ejemplo, emisión de luz como en la termoluminiscencia.
La introducción de la energía interna de un cuerpo (de la que sólo se pueden medir sus variaciones) es una manera práctica de analizar el efecto de transferencia de energía a un cuerpo macroscópicamente inmóvil —el gas de un cilindro, por ejemplo— cuya temperatura, volumen y tensión (presión en el caso de un gas) puede variar. Se dice que hay sólo sólo transferencia de calor entre los dos cuerpos cuando no hay variación de la energía cinética macroscópica de ninguno de ellos, incluyendo la ausencia de deformaciones. Si la variación es sólo de la energía cinética de las partículas, se refleja en un cambio de temperatura. Si hay variaciones de energía potencial, puede corresponder a cambios de fase (calores de fusión, vaporización o sublimación) o de composición molecular (disociación, ionización, reacción química...).
La radiación electromagnética puede interactuar con la materia aumentado su temperatura (caso de un termómetro expuesto al sol) o haciéndola emitir a su vez nueva radiación (caso de las sustancias fluorescentes y fosforecentes). Inversamente, el calentamiento de una cuerpo puede producir emisión de radiación (caso de una barra de hierro al rojo vivo).
En fenómenos nucleares, como la fisión o fusión de átomos, parte de la masa de los átomos se transforma en energía. Esta equivalencia entre masa y energía fue por primera vez propuesta por Albert Einstein y lamentablemente aplicada para la fabricación de bombas nucleares.

Diferentes formas de energía

En síntesis:

En todos los casos sólo tiene sentido hablar de variaciones o cambios o transferencias de energía.
Los principales tipos de energía son la cinética, la potencial y la radiante, pero hay también otras. Las dos primeras están asociadas a la materia, pero la última no. Un caso que no corresponde a ninguno de los tres tipos es la transformación de materia en radiación.
Por conveniencia, y en procesos de transferencia de energía bien acotados, se habla de otras formas de energía como la térmica (cinética microscópica), potencial eléctrica, interna (térmica y potencial microscópica), magnética (las fuerzas magnéticas no realizan trabajo, así que no se les puede asignar una energía potencial), nuclear…

Véase también

Energía

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