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Central nuclear de Isar, Alemania

Piscina de combustible nuclear gastado

Turbina de una central nuclear

Ley de conservación de la energía

Ley de conservación de la energía

En física, la ley de conservación de la energía es una de las leyes de conservación más importantes observadas en la naturaleza. En su forma más estudiada e intuitiva, esta ley establece que, aunque la energía se puede transformar y convertir de una forma a otra, la cantidad total de ella en un sistema aislado no varía con el tiempo.

Sin embargo, en su sentido más general, no parece correcto hablar de la ley, ya que en física existen numerosas leyes relativas a la conservación de la materia (masa) y la energía: conservación de la materia, energía mecánica, energía de masa, la cantidad de movimiento, momento angular, carga eléctrica, etc. Por lo que en la literatura científica para la definición adoptada es la del principio de conservación de la energía total (principio de conservación de la energía), que incluyen todas las formas posibles de energía, incluyendo cataratas (después de Einstein), sino también la masa y la cantidad de movimiento

El principio también se cumple en el campo de la mecánica cuántica; de hecho, el principio de incertidumbre de Heisenberg tiempo-energía no tiene el mismo carácter fundamental que la contraparte que involucra la posición y el momento, ya que un operador de tiempo (universal) no está definido en la mecánica cuántica.

Sin embargo, la interpretación de los fenómenos termodinámicos en términos de mecánica estadística y la demostración de la equivalencia entre el calor y el trabajo y su constancia en el tiempo, ha extendido a los fenómenos térmicos el principio de conservación de la energía fuera de la esfera estrictamente mecánica. siempre que tenga en cuenta todas las formas en que puede producirse energía.

Formas particulares de la ley de conservación de la energía

Mecánica clásica

En la mecánica newtoniana, se formula un caso especial de la ley de conservación de la energía: la Ley de conservación de la energía mecánica, que suena como sigue: “La energía mecánica total de un sistema cerrado de cuerpos, entre los cuales solo actúan las fuerzas conservadoras, permanece constante.”

En pocas palabras, en ausencia de fuerzas disipativas (por ejemplo, fuerzas de fricción), la energía mecánica no surge de la nada y no puede desaparecer en ninguna parte.

En una central nuclear, por ejemplo, la energía mecánica que acciona las turbinas no se genera de la nada, viene de la energía térmica contenida el vapor de agua. Previamente, esta misma energía era energía interna de los átomos, concretamente, energía nuclear.

Ley de la conservación de la energía en la termodinámica

En termodinámica, históricamente, la ley de conservación se formula como el primer principio de la termodinámica: “El cambio en la energía interna de un sistema termodinámico durante su transición de un estado a otro es igual a la suma del trabajo de las fuerzas externas en el sistema y la cantidad de calor transferido al sistema, y ​​no depende de la forma en que se realiza esta transición”. O alternativamente: “La cantidad de calor recibida por el sistema se utiliza para cambiar su energía interna y realizar trabajos contra fuerzas externas.”

La ley de conservación de la energía, en particular, establece que no hay máquinas de movimiento perpetuo del primer tipo, es decir, tales procesos son imposibles, cuyo único resultado sería la producción de trabajo sin ningún cambio en otros cuerpos.

Hidrodinámica

En la hidrodinámica de un fluido ideal, la ley de conservación de energía se formula tradicionalmente en forma de la ecuación de Bernoulli: la suma permanece constante a lo largo de las líneas de corriente.

Electrodinámica

En electrodinámica, la ley de conservación de energía se formula históricamente en forma del teorema de Poynting (a veces también llamado teorema de Umov - Poynting), que relaciona la densidad del flujo de energía electromagnética con la densidad de la energía electromagnética y la densidad de las pérdidas de Joule. En forma verbal, el teorema se puede formular de la siguiente manera: “Un cambio en la energía electromagnética encerrada en un cierto volumen durante un cierto intervalo de tiempo es igual al flujo de energía electromagnética a través de la superficie que limita un volumen dado y la cantidad de energía térmica liberada en un volumen dado tomada con el signo opuesto.”

Óptica no lineal

En óptica no lineal, la propagación de radiación óptica (y generalmente electromagnética) en un medio se considera teniendo en cuenta la interacción multicántica de esta radiación con la sustancia del medio. En particular, se dedica una amplia gama de estudios a los problemas de las llamadas interacciones de tres y cuatro ondas en las que interactúan tres o cuatro cuantos de radiación, respectivamente. Dado que cada acto individual de dicha interacción obedece las leyes de conservación de la energía y el impulso, es posible formular relaciones bastante generales entre los parámetros macroscópicos de las ondas que interactúan. Estas relaciones se llaman relaciones Manly-Rowe.

Mecánica relativista

En la mecánica relativista, se introduce el concepto de un momento de energía de 4 vectores (o solo cuatro momentos). Su introducción nos permite escribir las leyes de conservación del momento canónico y la energía en una sola forma, que, además, es Lorentz-covariante, es decir, no cambia durante la transición de un marco de referencia inercial a otro.

Relatividad general

Al ser una generalización de la teoría especial de la relatividad, la teoría general de la relatividad utiliza una generalización del concepto de cuatro momentos: el tensor de energía-momento. La ley de conservación está formulada para el tensor de energía-momento del sistema.

En la teoría general de la relatividad, la ley de conservación de la energía, estrictamente hablando, se cumple solo localmente. Esto se debe al hecho de que esta ley es una consecuencia de la uniformidad del tiempo, mientras que en la teoría general de la relatividad el tiempo es heterogéneo y experimenta cambios dependiendo de la presencia de cuerpos y campos en el espacio-tiempo. Cabe señalar que con un pseudotensor correctamente definido del momento de energía del campo gravitacional, es posible lograr la conservación de la energía completa de los cuerpos y campos que interactúan gravitacionalmente, incluyendo el gravitacional. Sin embargo, en este momento no existe una forma universalmente aceptada de introducir la energía del campo gravitacional, ya que todas las opciones propuestas tienen una u otra desventaja. Por ejemplo, la energía del campo gravitacional no puede definirse fundamentalmente como un tensor con respecto a las transformaciones de coordenadas generales.

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Última revisión: 10 de febrero de 2020