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Central nuclear de Isar, Alemania

Piscina de combustible nuclear gastado

Turbina de una central nuclear

Energía potencial

Energía potencial

La energía potencial es la energía que un objeto posee debido a su posición en un campo de fuerzas o que un sistema tiene debido a la configuración de sus partes.

Esta forma de energía es una magnitud escalar cuya unidad de medida del Sistema Internacional de Unidades es el joule (J).

Esta forma de energía se asocia con las fuerzas que actúan sobre un cuerpo de tal manera que esto sólo depende de la posición del cuerpo en el espacio. Estas fuerzas pueden ser representadas por un vector en cualquier punto del espacio formando lo que se conoce como campo vectorial de fuerzas o campo de fuerzas.

Definición

Si el trabajo de un campo de fuerzas que actúa sobre un cuerpo que se mueve de una posición inicial a una posición final queda determinado solamente por estas dos posiciones, y por tanto, no depende de la trayectoria del cuerpo, entonces existe una función llamada energía potencial que puede ser evaluada a las dos posiciones para determinar el trabajo.

El término energía potencial fue introducido por el ingeniero y físico escocés del siglo XIX William Rankine, aunque tiene relación con el concepto del filósofo griego Aristóteles sobre la potencialidad.

¿Cuáles son los tipos de energía potencial?

Los tipos de energía potencial más comunes son:

  • Energía potencial gravitatoria que depende de la posición vertical y de la masa de un objeto.
  • Energía potencial elástica de un muelle. Que la energía almacenada en un muelle comprimido.
  • Energía potencial eléctrica de una carga en un campo eléctrico.
  • Energía potencial electrostática.
  • Energía potencial química.

¿Qué es la energía potencial gravitatoria?

La energía potencial gravitatoria es la energía potencial que gana un objeto por el efecto gravitatorio de otro objeto (generalmente cuerpos muy grandes, por ejemplo, la Tierra, el Sol). Esta energía es directamente proporcional a la masa del objeto y al tamaño de la masa atraída. La magnitud de la masa atraída crea la aceleración de la gravedad. Esta aceleración para el mundo es de aproximadamente 9.8 m/s² en la superficie de la tierra.

La energía potencial gravitatoria equivale a la energía necesaria para situar un objeto a una determinada altura.

Debido a que hay diferentes tipos de fuerzas, también hay diferentes tipos de energía potencial. La energía potencial como resultado de la fuerza de la gravedad.

Por ejemplo, se llama energía gravitacional o potencial energía gravitacional. Para un objeto con masa m, en la altura h, la siguiente expresión se aplica a la energía gravitacional del objeto:

E  = m·g·h

Donde (en unidades SI ):

E - La energía potencial en julios (J).
m - la masa en kilogramos (kg)
h - la altura en metros (m)
g - la aceleración de caída en m / s² (aproximadamente 9.81 m / s²)

La energía potencial gravitacional si el objeto está en el nivel. h = 0 se establece en cero.

Sin embargo, cuando este objeto está ubicado a una gran distancia de la superficie de la tierra, la gravedad ya no es constante y la fórmula anterior ya no se aplica.

La expresión de la energía gravitatoria potencial se convierte entonces en:

Energía potencial

La energía potencial a una distancia infinita de la Tierra está aquí a cero, porque la fórmula es la más simple (esto es porque, a diferencia de muchos otros casos, la diferencia de energía aquí tiene un límite finito). La energía potencial es, por lo tanto, siempre negativa, y como en el modelo mencionado anteriormente, aumenta a medida que el objeto se aleja de la tierra.

¿Qué es la energía potencial elástica?

La energía potencial elástica es la energía almacenada en la capacidad que tiene un cuerpo en volver a su posición natural. Esta forma de energía también se llama energía de resorte o energía elástica potencial.

La elasticidad es una propiedad de ciertos materiales por la que, una vez deformados, estirados o separados de su posición inicial, pueden recuperar su estado original, o de equilibrio. Las fuerzas recuperadoras, cuando el objeto recupera su forma original sin apenas amortiguamiento o deformación, son conservativas y se puede derivar una energía potencial elástica, que sumada a la energía cinética, permite obtener la energía mecánica del objeto.

Un resorte lineal (ideal) con constante de resorte k que se extrae (o empuja) a una distancia Δl tiene un aumento en la energía del resorte de:

Energía potencial

¿Qué es la energía potencial química?

La energía potencial química está relacionada con la disposición estructural de los átomos o moléculas. Esta disposición puede ser el resultado de enlaces químicos dentro de una molécula o de otra manera.

La energía química de una sustancia química puede transformarse a otras formas de energía mediante una reacción química.

Ejemplos de energía potencial química:

  • Cuando se quema un combustible, la energía química se convierte en calor
  • Durante el proceso metabólico de la digestión. Los alimentos metabolizados en un organismo biológico se transforman en energía.
  • El proceso de la fotosíntesis. Mediante este proceso, las plantas verdes transforman la energía solar en energía química.
  • Reacciones electroquímicas. La energía eléctrica se puede convertir en energía química a través de reacciones electroquímicas. Estas reacciones s producen durante la carga de baterías.

Potencial químico

El potencial químico se utiliza para indicar el potencial de una sustancia a experimentar un cambio de configuración. Este cambio puede ser en forma de una reacción química, transporte espacial, intercambio de partículas con un depósito, etc.

El potencial químico no és una forma de energía potencial en sí mismo, pero está más estrechamente relacionado con la energía libre. 

¿Cómo se transforma la energía potencial a otros tipos de energía?

La energía se puede manifestar en muchas formas, incluyendo:

  • Energía química.
  • Energía térmica.
  • Radiación electromagnética.
  • Energía gravitacional.
  • Energía eléctrica.
  • Energía elástica.
  • Energía nuclear.
  • Energía del resto. 

Todos estos tipos de energía pueden clasificarse en dos clases principales: energía potencial y energía cinética. La energía potencial puede ser transferida entre objetos y transformada en otros tipos de energía.

Ejemplo de transformación de energía potencial

La energía potencial se puede transformar en otros tipos de energía como por ejemplo la energía cinética que se puede ilustrar fácilmente mediante el siguiente ejemplo:

  1. Al chutar un balón el jugador transmite una energía potencial de su pierna al balón.
  2. Esta energía inicial se convierte en energía potencial elástica al deformar el balón y comprimir el aire que tiene dentro.
  3. Al recuperar la forma original, esta energía potencial elástica se convierte en energía cinética en el momento en que el balón sale a toda velocidad. Toda la energía potencial elástica es energía transformada en energía cinética.
  4. Si el jugador ha chutado el balón con una trayectoria completamente vertical, a medida que el balón vaya perdiendo velocidad irá perdiendo energía cinética, que se convertirá en energía potencial gravitatoria.
  5. Cuando llegue al punto más alto, el balón no tendrá energía cinética y toda su energía será potencial.
  6. Cuando el balón empieza a bajar, la energía potencial gravitatoria vuelve a convertirse en energía cinética.
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Última revisión: 2 de abril de 2020