Conservación de la energía para niños
La conservación de la energía es una ley fundamental en la física que nos dice que la cantidad total de energía en un sistema físico aislado (que no intercambia energía con su entorno) siempre se mantiene igual. Esto significa que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra. Por ejemplo, cuando enciendes una bombilla, la energía eléctrica se convierte en energía luminosa y también en calor.
En el estudio del calor y la temperatura (llamado termodinámica), esta ley es conocida como el primer principio de la termodinámica.
Una consecuencia importante de esta ley es que no es posible construir una máquina de movimiento perpetuo del primer tipo. Esto significa que ningún sistema puede producir energía de forma ilimitada sin recibir energía de alguna fuente externa.
Contenido
¿Cómo se descubrió la conservación de la energía?
La idea de que algo se conserva en el universo es muy antigua. Filósofos como Tales de Mileto (hace unos 2550 años) ya pensaban que todo estaba hecho de una sustancia básica que no cambiaba. Empédocles (hace unos 2450 años) creía que los elementos (tierra, aire, agua y fuego) se reordenaban, pero nada nacía ni desaparecía.
Primeras observaciones y experimentos
- En 1605, Simon Stevin resolvió problemas de equilibrio basándose en que el movimiento perpetuo era imposible.
- En 1639, Galileo estudió cómo un péndulo se movía. Observó que la altura a la que subía un objeto era igual a la altura desde la que caía, si no había rozamiento. Esto mostraba que la energía potencial (energía por su posición) se convertía en energía cinética (energía por su movimiento) y viceversa.
- En 1669, Christiaan Huygens publicó sus leyes sobre las colisiones. Notó que la suma de las energías de movimiento de los cuerpos se mantenía antes y después de chocar.
- Entre 1676 y 1689, Gottfried Leibniz fue el primero en intentar una fórmula matemática para la energía relacionada con el movimiento, a la que llamó vis viva o "fuerza viva". Él notó que la suma de las masas multiplicadas por la velocidad al cuadrado (m * v²) se conservaba en sistemas sin fricción. Otros científicos, como Isaac Newton, se enfocaban más en la conservación del momento (masa por velocidad, m * v), que se conserva incluso con fricción. Con el tiempo, se entendió que ambas cantidades son importantes y se conservan bajo diferentes condiciones.
El calor y la energía
Durante los siglos XVIII y XIX, los científicos empezaron a sospechar que el calor que se producía por la fricción era otra forma de energía.
- En 1798, el Conde Rumford observó que al perforar cañones se generaba mucho calor. Esto sugería que el movimiento mecánico podía convertirse en calor.
- En 1807, Thomas Young usó por primera vez la palabra "energía" en el sentido que la conocemos hoy.
- Gaspard-Gustave Coriolis y Jean-Victor Poncelet (entre 1819 y 1839) ayudaron a entender que la energía cinética se podía convertir en trabajo.
El equivalente mecánico del calor
Un paso muy importante fue demostrar que el calor y el trabajo mecánico son intercambiables.
- En 1842, el cirujano alemán Julius Robert von Mayer fue el primero en proponer que el calor y el trabajo mecánico eran formas de energía y que se podían convertir una en otra.
- En 1843, James Prescott Joule hizo experimentos famosos, como el "aparato de Joule". En este aparato, un peso que caía hacía girar unas paletas en agua. Joule demostró que la energía que perdía el peso al caer se convertía en calor en el agua debido a la fricción. Esto probó de forma muy clara que el trabajo mecánico se podía convertir en calor.
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- En 1847, Hermann von Helmholtz publicó un libro que ayudó a que el principio de conservación de la energía fuera aceptado por la comunidad científica.
- En 1850, William Rankine usó por primera vez la frase "ley de la conservación de la energía".
La energía y la masa
A principios del siglo XX, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein (1905) mostró que la masa y la energía están relacionadas. La famosa ecuación E=mc² nos dice que la masa puede convertirse en energía y viceversa. Esto significa que la masa "en reposo" de un objeto es una forma de energía.
Por ejemplo, un electrón y un positrón (su antipartícula) tienen masa. Cuando se encuentran, pueden desaparecer y convertirse en fotones (partículas de luz) que son energía pura. Si esto ocurre en un sistema aislado, la masa total y la energía total del sistema se mantienen, aunque la forma de la energía cambie.
Así, la conservación de la energía (incluyendo la energía de la masa) y la conservación de la masa (incluyendo la energía) son en realidad la misma ley.
La conservación de la energía en la termodinámica
En los sistemas termodinámicos, la ley de conservación de la energía se conoce como la primera ley de la termodinámica. Esta ley dice que si le das calor (Q) a un sistema, esa energía se usará para aumentar la energía interna del sistema (ΔU) y para que el sistema realice un trabajo (W) sobre su entorno. Se expresa con la fórmula: 
Aunque la energía no se pierde, sí puede "degradarse". Esto significa que en un proceso irreversible (como el movimiento con fricción que convierte energía mecánica en calor), la energía se transforma en una forma menos útil. Por ejemplo, el calor generado por la fricción no se puede convertir completamente de nuevo en movimiento mecánico. Por eso, las máquinas no tienen un rendimiento del 100%, siempre hay "pérdidas" de energía en forma de calor que no se puede aprovechar.
La conservación de la energía en la mecánica
- En la mecánica clásica (la física de los objetos grandes y lentos), la conservación de la energía se cumple cuando las fuerzas que actúan sobre un sistema provienen de un "potencial" (como la gravedad o un resorte).
- En la mecánica cuántica (la física de las partículas muy pequeñas), la energía total de un sistema aislado también se conserva en promedio, aunque la energía de un estado específico pueda fluctuar.
La conservación de la energía en la relatividad
En la Teoría de la Relatividad Especial, la energía y la masa están tan relacionadas que se habla de la conservación de la "masa-energía" o energía total. Esto significa que la energía total de un sistema aislado se mantiene constante.
Sin embargo, en la teoría de la relatividad general (que describe la gravedad y el espacio-tiempo), la idea de la conservación de la energía se vuelve más compleja. En algunos casos, como en el universo en expansión, no siempre es posible definir una energía total que se conserve de la misma manera que en la mecánica clásica. Esto se debe a que el espacio-tiempo mismo puede cambiar.
Galería de imágenes
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El Sistema mecánico en el cual se conserva la energía, para choque perfectamente elástico y ausencia de rozamiento.
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Daniel Bernoulli estudió la pérdida de energía en el agua que fluye.
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Emilie du Chatelet propuso y comprobó la hipótesis de la conservación de la energía total.
Véase también
En inglés: Conservation of energy Facts for Kids
