mecánica clásica
en mecánica clásica, la energía es una propiedad útil conceptual y matemáticamente, ya que es una cantidad conservada. Se han desarrollado varias formulaciones de mecánica utilizando la energía como concepto central.
el trabajo, una función de la energía, es fuerza por Distancia.,
W = ∫ C F ⋅ d s {\displaystyle W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}}
esto dice que el trabajo ( W {\displaystyle W}) es igual a la integral de línea de la fuerza F a lo largo de un camino C; para más detalles ver el artículo de trabajo mecánico. El trabajo y, por lo tanto, la energía depende del marco. Por ejemplo, considera que una pelota es golpeada por un bate. En el marco de referencia del centro de masa, el bate no trabaja en la pelota. Pero, en el marco de referencia de la persona que balancea el bate, se realiza un trabajo considerable en la pelota.,
la energía total de un sistema a veces se llama Hamiltoniano, por William Rowan Hamilton. Las ecuaciones clásicas del movimiento se pueden escribir en términos del Hamiltoniano, incluso para sistemas muy complejos o abstractos. Estas ecuaciones clásicas tienen análogos notablemente directos en la mecánica cuántica no relativista.
otro concepto relacionado con la energía se llama el lagrangiano, por Joseph-Louis Lagrange. Este formalismo es tan fundamental como el Hamiltoniano, y ambos pueden ser usados para derivar las ecuaciones de movimiento o derivarse de ellas., Fue inventado en el contexto de la mecánica clásica, pero es generalmente útil en la física moderna. El lagrangiano se define como la energía cinética menos la energía potencial. Por lo general, el formalismo de Lagrange es matemáticamente más conveniente que el Hamiltoniano para sistemas no conservadores (como los sistemas con fricción).
El teorema de Noether (1918) establece que cualquier simetría diferenciable de la acción de un sistema físico tiene una ley de conservación correspondiente. El teorema de Noether se ha convertido en una herramienta fundamental de la física teórica moderna y el cálculo de variaciones., Una generalización de las formulaciones seminales sobre constantes de movimiento en mecánica Lagrangiana y hamiltoniana (1788 y 1833, respectivamente), no se aplica a sistemas que no pueden ser modelados con un lagrangiano; por ejemplo, los sistemas disipativos con simetrías continuas no necesitan tener una ley de conservación correspondiente.
química
en el contexto de la química, la energía es un atributo de una sustancia como consecuencia de su estructura atómica, molecular o agregada., Dado que una transformación química va acompañada de un cambio en uno o más de estos tipos de estructura, invariablemente va acompañada de un aumento o disminución de la energía de las sustancias involucradas. Parte de la energía se transfiere entre el entorno y los reactivos de la reacción en forma de calor o luz; por lo tanto, los productos de una reacción pueden tener más o menos energía que los reactivos. Se dice que una reacción es exotérmica o exergónica si el estado final es más bajo en la escala de energía que el estado inicial; en el caso de las reacciones endotérmicas, la situación es la inversa., Las reacciones químicas generalmente no son posibles a menos que los reactivos superen una barrera de energía conocida como energía de activación. La velocidad de una reacción química (a una temperatura dada T) está relacionada con la energía de activación E por el factor de población de Boltzmann e−E/kT – que es la probabilidad de que la molécula tenga energía mayor o igual a E a la temperatura dada T. esta dependencia exponencial de una velocidad de reacción en la temperatura se conoce como la ecuación de Arrhenius. La energía de activación necesaria para una reacción química se puede proporcionar en forma de energía térmica.,
Biology
resumen básico de la energía y la vida humana.
en biología, la energía es un atributo de todos los sistemas biológicos, desde la Biosfera hasta el organismo vivo más pequeño. Dentro de un organismo es responsable del crecimiento y desarrollo de una célula biológica o un orgánulo de un organismo biológico., La energía utilizada en la respiración se almacena principalmente en oxígeno molecular y puede ser desbloqueada por reacciones con moléculas de sustancias como carbohidratos (incluidos azúcares), lípidos y proteínas almacenadas por las células. En términos humanos, el equivalente humano (H-e) (conversión de energía humana) indica, para una cantidad dada de gasto de energía, la cantidad relativa de energía necesaria para el metabolismo humano, suponiendo un gasto medio de energía humana de 12.500 kJ por día y una tasa metabólica basal de 80 vatios., Por ejemplo, si nuestros cuerpos funcionan (en promedio) a 80 vatios, entonces una bombilla que funciona a 100 vatios está funcionando a 1.25 equivalentes humanos (100 ÷ 80), es decir, 1.25 H-e. para una tarea difícil de solo unos segundos de duración, una persona puede apagar miles de vatios, muchas veces los 746 vatios en un caballo de fuerza oficial. Para tareas que duran unos minutos, un humano en forma puede generar tal vez 1.000 vatios. Para una actividad que debe mantenerse durante una hora, la salida cae a alrededor de 300; para una actividad mantenida todo el día, 150 vatios es aproximadamente el máximo., El equivalente humano ayuda a la comprensión de los flujos de energía en los sistemas físicos y biológicos al expresar unidades de energía en términos humanos: proporciona una «sensación» para el uso de una cantidad dada de energía.
la energía radiante de la luz solar también es capturada por las plantas como energía potencial química en la fotosíntesis, cuando el dióxido de carbono y el agua (dos compuestos de baja energía) se convierten en carbohidratos, lípidos y proteínas y compuestos de alta energía como el oxígeno y el ATP. Los carbohidratos, lípidos y proteínas pueden liberar la energía del oxígeno, que es utilizada por los organismos vivos como aceptor de electrones., La liberación de la energía almacenada durante la fotosíntesis como calor o luz puede ser desencadenada repentinamente por una chispa, en un incendio forestal, o puede estar disponible más lentamente para el metabolismo animal o humano, cuando se ingieren moléculas orgánicas, y el catabolismo se desencadena por la acción enzimática.
cualquier organismo vivo depende de una fuente externa de energía-energía radiante del sol en el caso de las plantas verdes, energía química en alguna forma en el caso de los animales – para poder crecer y reproducirse., Las 1500-2000 calorías diarias (6-8 MJ) recomendadas para un adulto humano se toman como una combinación de moléculas de oxígeno y alimentos, estos últimos principalmente carbohidratos y grasas, de los cuales la glucosa (C6H12O6) y la estearina (C57H110O6) son ejemplos convenientes. Las moléculas de los alimentos se oxidan a dióxido de carbono y agua en las mitocondrias
c 6 h 12 o 6 + 6 o 2 CO 6 CO 2 + 6 H 2 o {\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}} C 57 H 110 o 6 + 81 ⋅ 5 o 2 CO 57 CO 2 + 55 H 2 o {\displaystyle {\ce {C57H110O6 + 81.,5O2 – > 57CO2 + 55h2o}}}
y parte de la energía se utiliza para convertir ADP en ATP.
ADP + HPO42 – → ATP + H2O
el resto de la energía química en el O2 y el carbohidrato o grasa se convierte en calor: el ATP se usa como una especie de «moneda de energía», y parte de la energía química que contiene se usa para otro metabolismo cuando el ATP reacciona con grupos OH y eventualmente se divide en ADP y fosfato (en cada etapa de una ruta metabólica, parte de la energía química se convierte en calor)., Solo una pequeña fracción de la energía química original se utiliza para el trabajo:
ganancia en energía cinética de un velocista durante una carrera de 100 m: 4 kJ ganancia en energía potencial gravitacional de un peso de 150 kg levantado a través de 2 metros: 3 kJ ingesta diaria de alimentos de un adulto normal: 6-8 MJ
parecería que los organismos vivos son notablemente ineficientes (en el sentido físico) en su uso de la energía que reciben (energía química o radiante), y es cierto que la mayoría de las máquinas reales logran mayores eficiencias., En los organismos en crecimiento, la energía que se convierte en calor sirve para un propósito vital, ya que permite que el tejido del organismo esté altamente ordenado con respecto a las moléculas a partir de las cuales se construye. La segunda ley de la termodinámica establece que la energía (y la materia) tiende a extenderse más uniformemente por todo el universo: para concentrar energía (o materia) en un lugar específico, es necesario esparcir una mayor cantidad de energía (como calor) por el resto del universo («los alrededores»)., Los organismos más simples pueden lograr mayores eficiencias energéticas que los más complejos, pero los organismos complejos pueden ocupar nichos ecológicos que no están disponibles para sus hermanos más simples. La conversión de una porción de la energía química en calor en cada paso de una ruta metabólica es la razón física detrás de la pirámide de biomasa observada en ecología: para dar solo el primer paso en la cadena alimentaria, de los 124,7 Pg/a estimados de carbono que se fija por fotosíntesis, 64,3 Pg/a (52%) se utilizan para el metabolismo de las plantas verdes, es decir, reconvertidas en dióxido de carbono y calor.,
Ciencias de la Tierra
en geología, la deriva continental, las cadenas montañosas, los volcanes y los terremotos son fenómenos que se pueden explicar en términos de transformaciones energéticas en el interior de la Tierra, mientras que los fenómenos meteorológicos como el viento, la lluvia, el granizo, la nieve, los rayos, los tornados y los huracanes son el resultado de las transformaciones energéticas provocadas por la energía solar en la atmósfera del planeta Tierra.,
La luz solar puede almacenarse como energía potencial gravitacional después de que golpea la Tierra, como (por ejemplo) el agua se evapora de los océanos y se deposita en las montañas (donde, después de ser liberada en una presa hidroeléctrica, se puede usar para impulsar turbinas o generadores para producir electricidad). La luz solar también impulsa muchos fenómenos meteorológicos, excepto los generados por eventos volcánicos., Un ejemplo de un evento meteorológico mediado por el sol es un huracán, que ocurre cuando grandes áreas inestables de océano cálido, calentadas durante meses, abandonan parte de su energía térmica de repente para alimentar unos días de movimiento de aire violento.
en un proceso más lento, la desintegración radiactiva de los átomos en el núcleo de la Tierra libera calor. Esta energía térmica impulsa la tectónica de placas y puede levantar montañas, a través de la orogénesis. Este levantamiento lento representa una especie de almacenamiento de energía potencial gravitacional de la energía térmica, que puede ser liberada posteriormente a energía cinética activa en deslizamientos de tierra, después de un evento desencadenante., Los terremotos también liberan energía potencial elástica almacenada en las rocas, un almacén que se ha producido en última instancia a partir de las mismas fuentes de calor radiactivo. Por lo tanto, de acuerdo con la comprensión actual, eventos familiares como deslizamientos de tierra y terremotos liberan energía que ha sido almacenada como energía potencial en el campo gravitacional de la tierra o tensión elástica (energía potencial mecánica) en las rocas. Antes de esto, representan la liberación de energía que se ha almacenado en átomos pesados desde el colapso de estrellas supernovas destruidas hace mucho tiempo que crearon estos átomos.,
cosmología
en cosmología y astronomía, los fenómenos de estrellas, nova, supernova, quásares y explosiones de rayos gamma son las transformaciones de energía de mayor potencia del universo de la materia. Todos los fenómenos estelares (incluyendo la actividad solar) son impulsados por varios tipos de transformaciones de energía. La energía en tales transformaciones es ya sea del colapso gravitacional de la materia (generalmente hidrógeno molecular) en varias clases de objetos astronómicos (estrellas, agujeros negros, etc.).), o de fusión nuclear (de elementos más ligeros, principalmente Hidrógeno)., La fusión nuclear de hidrógeno en el sol también libera otra reserva de energía potencial que se creó en el momento del Big Bang. En ese momento, según la teoría, el espacio se expandió y el universo se enfrió demasiado rápido para que el hidrógeno se fusionara completamente en elementos más pesados. Esto significa que el hidrógeno representa una reserva de energía potencial que puede ser liberada por fusión. Este proceso de fusión se desencadena por el calor y la presión generados por el colapso gravitacional de las nubes de hidrógeno cuando producen estrellas, y parte de la energía de fusión se transforma en luz solar.,
mecánica cuántica
en mecánica cuántica, la energía se define en términos de los operadores de energía como una derivada temporal de la función de onda. La ecuación de Schrödinger equipara el operador de energía a la energía completa de una partícula o un sistema. Sus resultados pueden ser considerados como una definición de medición de energía en mecánica cuántica. La ecuación de Schrödinger describe la dependencia del espacio y el tiempo de una función de onda que cambia lentamente (no relativista) de los sistemas cuánticos., La solución de esta ecuación para un sistema enlazado es discreta (un conjunto de Estados permitidos, cada uno caracterizado por un nivel de energía) que resulta en el concepto de cuantos. En la solución de la ecuación de Schrödinger para cualquier oscilador (vibrador) y para ondas electromagnéticas en un vacío, los estados de energía resultantes están relacionados con la frecuencia por la relación de Planck: E = h ν {\displaystyle E=H\nu } (donde h {\displaystyle h} es la constante de Planck y ν {\displaystyle \ nu } la frecuencia). En el caso de una onda electromagnética, estos estados de energía se denominan cuantos de luz o fotones.,
relatividad
al calcular la energía cinética (trabajo para acelerar un cuerpo masivo de velocidad cero a alguna velocidad finita) relativísticamente – usando transformaciones de Lorentz en lugar de la mecánica newtoniana – Einstein descubrió un subproducto inesperado de estos cálculos para ser un término de energía que no desaparece a velocidad cero. Lo llamó energía de reposo: energía que todo cuerpo masivo debe poseer incluso cuando está en reposo., La cantidad de energía es directamente proporcional a la masa del cuerpo:
E 0 = m c 2 {\displaystyle E_{0}=mc^{2}} ,
, donde
m es la masa del cuerpo, c es la velocidad de la luz en el vacío, E 0 {\displaystyle E_{0}} es el resto de la energía.
Por ejemplo, considere la aniquilación electrón-positrón, en la que la energía de reposo de estas dos partículas individuales (equivalente a su masa de reposo) se convierte en la energía radiante de los fotones producidos en el proceso. En este sistema, la materia y la antimateria (electrones y positrones) se destruyen y se cambian a no Materia (los fotones)., Sin embargo, la masa total y la energía total no cambian durante esta interacción. Cada uno de los fotones no tiene masa en reposo, pero sin embargo tienen energía radiante que exhibe la misma inercia que las dos partículas originales. Este es un proceso reversible – el proceso inverso se llama creación de pares-en el que la masa de partículas en reposo se crea a partir de la energía radiante de dos (o más) fotones aniquiladores.,
en la relatividad general, el tensor de energía de estrés sirve como el término fuente para el campo gravitacional, en una analogía aproximada a la forma en que la masa sirve como el término fuente en la aproximación newtoniana no relativista.
La energía y la masa son manifestaciones de una y la misma propiedad física subyacente de un sistema., Esta propiedad es responsable de la inercia y la fuerza de la interacción gravitacional del sistema («manifestaciones de masa»), y también es responsable de la capacidad potencial del sistema para realizar trabajo o calentamiento («manifestaciones de energía»), sujeto a las limitaciones de otras leyes físicas.
en física clásica, la energía es una cantidad escalar, el conjugado canónico con el tiempo. En la relatividad especial, la energía es también un escalar(aunque no un escalar de Lorentz, sino un componente de tiempo del vector energía-momento 4)., En otras palabras, la energía es invariante con respecto a las rotaciones del espacio, pero no invariante con respecto a las rotaciones del espacio-tiempo (=boosts).
