Energía

Definición de energía

Un objeto trabaja moviéndose contra una fuerza a lo largo de una determinada distancia.

Las unidades de energía son los julios y su símbolo \(\mathrm{J}\) recibe su nombre del conocido físico James Joule.

Tipos de energía y ejemplos

La energía de un objeto o de un sistema se agrupa en distintos almacenes energéticos, y esta puede transferirse entre distintos tipos de almacenes. Veamos los diferentes tipos de energía y algunos ejemplos:

La energía cinética es la energía asociada al movimiento de cualquier objeto; puede transferirse a otros objetos mediante colisiones. Además, la energía cinética puede transformarse en otra energía.

La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un objeto en función de su posición en un campo gravitatorio.

La energía potencial elástica (de tensión) es la energía que tiene un objeto cuando es elástico y se estira (por ejemplo, un muelle o una cuerda). El objeto elástico volverá a su posición original cuando se deje de aplicar fuerza sobre él. Esto se debe a que el objeto ha almacenado energía potencial elástica.

Fig. 1: Los tirachinas son un ejemplo de energía potencial elástica.

La energía térmica describe la temperatura de un objeto. Esta es un tipo de energía cinética, ya que el calor de un objeto viene determinado por la velocidad a la que se mueven sus partículas.

La energía química se libera (se transfiere a otro almacén de energía) cuando se produce una reacción química.

La energía nuclear es la energía mantenida en el núcleo por las fuerzas fuertes. Se puede liberar después de que se produzcan reacciones nucleares y se utiliza en las centrales nucleares, todos los días, para proporcionar electricidad.

La energía magnética se almacena en los imanes, haciendo que se atraigan o se repelan.

La energía electromagnética es la que transportan las ondas electromagnéticas. Por supuesto, la luz también es una onda electromagnética y, por tanto, posee esta energía.

Por ahora, nos centraremos en dos tipos principales de energía: la cinética y la potencial.

Energía cinética

Como hemos visto antes, la energía cinética es la que posee un objeto debido a su movimiento y se mide en julios (\(\mathrm{J}\)). Pero, ¿de qué más depende la energía cinética de un objeto?

Veamos la ecuación para hallar la energía cinética, para entender mejor el concepto: \[E_c=\dfrac{1}{2}m\cdot v^2,\]

Donde,

• \(m\) es la masa del objeto, que se mide en kilogramos (\(\mathrm{kg}\)).
• \(v\) es su velocidad, que mide en metros por segundo (\(\mathrm{m/s}\)).

Energía potencial

A diferencia de la energía cinética, la energía potencial tiene dos formas principales: gravitacional y elástica.

Energía potencial gravitatoria

Como has aprendido, la energía potencial gravitatoria depende de la posición del objeto en el campo gravitatorio y de su masa. También se expresa en julios (\(\mathrm{J}\)).

Profundicemos en su ecuación, para ver qué otros factores afectan a la energía potencial gravitatoria de un objeto:

\[E_p=m\cdot g\cdot h,\]

Donde,

• \(m\) es la masa del objeto.
• \(h\) es la altura del objeto, respecto a un punto de referencia. Se mide en metros (\(\mathrm{m}\)).
• \(g\) es la intensidad del campo gravitatorio, que consideramos \(g=9,81\,\,\mathrm{m/s^2}\), aproximadamente. Se mide en en newtons por kilogramo (\(\mathrm{N\cdot m}\)) o en metros por segundo al cuadrado (\(\mathrm{m/s^2}\)).

Energía potencial elástica

Otra forma de energía potencial es la energía potencial elástica, que es la que tiene un objeto cuando es elástico y se estira. Se mide en julios (\(\mathrm{J}\)).

Veamos su ecuación para entender mejor el concepto: \[E_p=\dfrac{1}{2}k\cdot \Delta x^2,\].

Donde,

• \(k\) es la constante elástica del muelle, que se mide en newtons por metro (\(\mathrm{N\cdot m}\))
• \(\Delta x\) es la extensión de este; es decir, qué tanto se estira o se contrae respecto a su posición natural. Se expresa en metros (\(\mathrm{m}\)).

¿Cómo se transmite la energía?

Veamos, ahora, cómo se transfiere y transforma la energía entre los almacenes energéticos. Esto nos ayudará a entender cómo se utilizan en nuestra vida cotidiana.

Cuando la energía se transfiere entre diferentes almacenes, hay varias formas en las que la transferencia de energía puede ocurrir:

• Mecánicamente: se produce una transferencia de energía mecánica cuando se realiza un trabajo.
• Por calentamiento: cuando un objeto calienta a otro, transfiriendo parte de su energía térmica.
• Eléctricamente: la energía se transfiere por una carga que se mueve a través de un circuito.
• Por radiación: cuando un objeto irradia una onda que transporta energía que puede pasar a otro objeto.

Para comprender mejor las transferencias de energía entre diferentes almacenes hay que tener en cuenta lo que le ocurre al objeto, o lo que este hace:

La transferencia de energía es importante, porque no se puede almacenar energía en todas las formas útiles.

Conservación de la energía

La cantidad de energía que existía cuando se formó el universo es la misma que existe en el momento en que estás leyendo esta explicación. La energía, únicamente, se puede transferir entre los diferentes almacenes.

Cuando se producen transferencias de energía, no toda la energía se transforma a la forma de energía deseada. Parte de ella se transforma en otras formas de energía residuales. Esto es lo que conocemos como pérdida de energía.

Pero, como puedes ver, incluso cuando hablamos de energía perdida, no se pierde realmente: se transforma en otra forma de energía, aunque sea no deseada. Así que, podemos concluir que la energía total inicial que tiene un sistema es igual a su energía total final. Esto se expresa, matemáticamente, como se muestra a continuación.

\[ \begin{align}E_i&=E_f,\end{align} \]

Donde,

• \(E_i\) es la energía inicial que tiene el sistema.
• \(E_f\) es la energía final.

Eficiencia energética

Cuando una máquina desperdicia energía al intentar realizar un trabajo, decimos que esta máquina es ineficiente. La energía desperdiciada es lo que antes llamábamos energía perdida. En la práctica, no se puede realizar un trabajo sin energía perdida, pero sí se puede reducir al mínimo deseado.

En física, a medida que la energía perdida se reduce, la eficiencia es mayor. Matemáticamente, es la relación entre la energía útil de salida y la energía total de entrada, y puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

\[\mu=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\]

Para calcular la eficiencia en porcentaje, debemos multiplicar el resultado que obtenemos de la ecuación anterior por cien: \[\mu_{\%}=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\cdot 100\]

Fig. 3: En la gran mayoría de aparatos electrónicos encontramos etiquetas que nos indican su eficiencia. commons.wikimedia.org