La Ley de la Conservación de la Energía, también conocida como el Primer Principio de la Termodinámica, es uno de los conceptos fundamentales en la física que rige nuestro universo.
A lo largo de la historia de la ciencia, esta ley ha sido un pilar fundamental que ha permitido comprender y explicar una amplia gama de fenómenos naturales.
Origen y autor
La idea de la conservación de la energía comenzó a tomar forma en el siglo XIX gracias al trabajo de científicos como Julius Robert Mayer, James Joule, y Hermann von Helmholtz. Estos investigadores realizaron estudios exhaustivos sobre la conversión de la energía térmica en mecánica y viceversa.
Sin embargo, la formulación más conocida de esta ley se atribuye a Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin) a mediados del siglo XIX.
¿Qué establece la ley de la conservación de la energía?
Esta ley establece que la energía no puede ser creada ni destruida, sólo transformada de una forma a otra. Es decir, la cantidad total de ella en un sistema aislado no varía con el tiempo.
Esto significa que, en ausencia de fuerzas externas, la energía total de un sistema se conserva, incluso si experimenta transformaciones de un tipo de energía a otro. Por ejemplo, en un sistema cerrado, la energía mecánica puede convertirse en energía térmica debido a la fricción, pero la suma total de ambas formas de energía se mantendrá constante.
Desde la mecánica newtoniana
En la mecánica newtoniana, el principio de la conservación establece que: “La energía mecánica total de un sistema cerrado de cuerpos, entre los cuales solo actúan las fuerzas internas del sistema, permanece constante.”
En pocas palabras, en ausencia de fuerzas disipativas (por ejemplo, fuerzas de fricción), la energía no surge de la nada y no puede desaparecer. Sólo pueden convertirse en otros tipos de energía.
Desde la termodinámica
En termodinámica, la ley de conservación se formula como la primera ley de la termodinámica: “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, establece que no hay máquinas de movimiento perpetuo del primer tipo. Sadi Carnot demostró que tales procesos son imposibles.
Ejemplos de la ley
Para comprender mejor la Ley de la Conservación de la Energía, es útil ver algunos ejemplos concretos de cómo funciona en situaciones cotidianas y científicas:
Péndulo simple
Imagina un péndulo simple, como un péndulo de reloj. Cuando levantas el péndulo a una cierta altura y lo sueltas, comienza a oscilar hacia adelante y hacia atrás. A medida que desciende, su energía potencial gravitatoria disminuye, pero su energía cinética aumenta.
La suma de la energía potencial y cinética en cualquier punto de su movimiento siempre será constante si no hay fuerzas de fricción o resistencia del aire involucradas.
Caída libre
Cuando dejas caer un objeto desde una cierta altura, su energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética a medida que cae.
La ley de la conservación de la energía establece que la suma de estas dos formas de energía es constante durante la caída.
Coche en movimiento
Si el conductor apaga el motor, el coche seguirá moviéndose debido a la inercia, y su energía cinética se mantendrá constante hasta que ocurra alguna fuerza de fricción, como el frenado, que convierte la energía cinética en energía térmica a través del calor generado por los frenos.
Transformación de energía en una central eléctrica
En una central térmica convencional la energía química almacenada en el combustible (como el carbón o el gas) se convierte en energía térmica mediante la combustión. Luego, esta energía térmica se utiliza para calentar agua y producir vapor, que impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico. La energía térmica se convierte en energía mecánica en la turbina y finalmente en energía eléctrica en el generador.
Del mismo modo una central nuclear puede realizar el mismo proceso pero en lugar de iniciarse con la energía química de combustibles fósiles, la energía térmica se obtiene de la energía nuclear obtenida al fisionar un átomo.
En ambos casos, a lo largo de todas estas transformaciones, la energía total se conserva, aunque cambia de forma.
Reacción nuclear en el Sol
En el núcleo del Sol, ocurre una reacción nuclear llamada fusión nuclear, en la cual los núcleos de hidrógeno se combinan para formar helio.
Durante esta reacción, una pequeña cantidad de masa se convierte en energía, según la famosa ecuación de Einstein, E=mc2. La energía liberada en forma de luz y calor es constante, lo que mantiene al Sol brillando durante miles de millones de años.
Una montaña rusa
El vagón de una montaña rusa realiza varias conversiones de energía potencial y energía cinética en cada vuelta. Cuando está en lo más alto, casi toda la energía es energía potencial gravitatoria. A continuación, a medida que va bajando, aumenta la velocidad y la energía se transforma en energía cinética.
Importancia en la física
- Física termodinámica: La termodinámica, la rama de la física que estudia las relaciones entre el calor, el trabajo y la energía, se basa en la ley de la conservación de la energía. Esta ley permite comprender cómo funcionan los motores, las máquinas térmicas y los sistemas de refrigeración.
- Mecánica: En la mecánica clásica, la conservación de la energía se utiliza para resolver problemas relacionados con la cinemática y la dinámica de los objetos en movimiento. La energía cinética y potencial son ejemplos de formas de energía cuya conservación es fundamental en este contexto.
- Electrodinámica y electromagnetismo: este principio también es aplicable en el campo de la electricidad y el magnetismo. En circuitos eléctricos, por ejemplo, la energía eléctrica se transforma en energía luminosa en bombillas o en energía térmica en dispositivos de calentamiento.
- Física nuclear: En la física nuclear, esta ley es esencial para entender las reacciones nucleares y la energía liberada en procesos como la fusión y la fisión nuclear.
