Ley de conservación de la energía: qué es y fórmula

La ley de conservación de la energía afirma que la energía ni se crea ni se destruye, sino que se transforma. En otras palabras, escenifica como la energía se divide en diferentes tipos dependiendo de las circunstancias, cuya suma total de energía adquiere un valor constante, siempre que se trate de un sistema cerrado.

Sin embargo, los sistemas aislados no existen en la naturaleza. Por tanto, sus diferentes energías internas tenderán a interactuar entre sí para encontrar una situación de equilibrio. Establecer esa compensación requiere un trabajo (W), es decir, una transferencia de energía de un sistema a otro. Como consecuencia, las magnitudes de cada sistema buscarán un punto intermedio provocando un efecto.

A veces, el resultado que tiene este nuevo equilibrio sobre un sistema es muy evidente, como es el caso de un vaso con hielo donde el líquido cede calor y el hielo se disuelve enfriando el líquido a su vez. En otros sistemas, como el caso de dos sólidos a distinta temperatura, el precio para conseguir el equilibrio térmico no es tan intuitivo. Para explicar el fenómeno se necesita de una magnitud nueva que los científicos llamaron entropía. Esta propiedad refleja el desorden, es decir, la tendencia de un cuerpo a salirse del equilibrio y dejar de comportarse como un sistema aislado.

Las consecuencias anteriores son propias de los sistemas naturales o irreversibles. Esto quiere decir que restablecer las condiciones iniciales tanto en el objeto como en el ambiente sin forzar ninguno es imposible. Por tanto, aunque la energía total del sistema permanece constante, el desglose de energías que lo componen es diferente. Para entender estos conceptos, la fórmula de la ley de conservación de la energía es de gran utilidad.

La fórmula del postulado de conservación de la energía recoge las tres variables más importantes de la termodinámica. A partir de ellas, se puede intuir como evolucionan los valores en un sistema cerrado e irreversible en el que parte de la energía se vuelve inutilizable.

En términos generales, la fórmula nos presenta que la diferencia entre calor y trabajo resulta en el incremento de la energía interna del sistema. Esto último se refiere a la disparidad entre la energía inicial y final del conjunto antes y después del evento. Por tanto, calor (Q) y trabajo (W) suponen métodos de transferencia que contribuyen a la degradación de la energía. La razón por la que un sistema físico es irreversible se debe precisamente a este fenómeno.

Por tanto, la naturaleza de la energía es diferente dentro de cada sistema y está compuesta por diversos tipos. La energía potencial gravitatoria, la energía cinética o la térmica, son algunos de los ejemplos posibles. Cada una de ellas, tendrá diversas características y efectos en el entorno. Así, una maceta que caiga de una azotea tendrá una energía potencial considerable, pero irá aumentando su energía cinética mientras cae en perjuicio de la anterior.

En un gas, un aumento de la temperatura conlleva un mayor movimiento de las partículas que lo forman y, por tanto, un aumento de la energía. Al mismo tiempo, si la temperatura permanece constante, la energía también lo hace. De ahí, que se pueda dar la relación de igualdad entre ambos términos. Sin embargo, es importante recordar que calor (Q) y temperatura no son lo mismo, mientras el primero señala la energía que gana la sustancia, la segunda es la cantidad total de energía.

Por otra parte, el trabajo (W) también comparte una relación interesante con la energía. Siguiendo el ejemplo anterior, comprimir un gas con un pistón arroja un resultado positivo del trabajo ya que la tarea la realiza la maquinaria. Por el contrario, el trabajo tendrá un valor negativo si es el propio gas el que realiza el esfuerzo, por ejemplo, al expandirse. Por ende, la fórmula podrá sumar o restar el trabajo e influenciar en la energía dependiendo de quién lo realice.

Esta es la fórmula de la ley de conservación de la energía:

Et = Ei + W + Q

Energía total = Energía inicial + Trabajo + Calor

Antes se ha advertido que la ley de conservación de la energía se aplica a sistemas cerrados, algo casi imposible en la naturaleza donde existen diversas variables a considerar. Esto nos lleva a cuestionar la utilidad de la fórmula de la primera ley termodinámica. La aceptación de la ley de conservación de la energía permite simplificar la complejidad de los sistemas y contribuye a facilitar su aplicación práctica.

Tomar este postulado como cierto ha permitido la construcción de maquinaria capaz de transformar la energía para destinarla a diferentes labores. Así, la energía térmica que desprenden las reacciones de fusión en las centrales nucleares se transforma en la energía eléctrica que garantiza una proporción elevada de la base asegurando la estabilidad del suministro en hogares y empresas.

La conservación de la energía y sus sucesivas transformaciones se escenifican en numerosos ejemplos. A continuación, te proponemos algunos de ellos:

• Un coche en movimiento acumula energía cinética a medida que aumenta su velocidad. Sin embargo, cuando choca con una pared, la energía cinética se transforma en diversos tipos de energía, como la potencial elástica que, aplicada sobre un cuerpo rígido, produce deformación. Junto a ella aparecen otras como la acústica o la térmica.
• Otro ejemplo serían los vagones de una atracción en un parque temático. Al ascender, la energía potencial se va acumulando hasta el límite de la cuesta. Una vez suelta empieza a adquirir energía cinética hasta alcanzar velocidades lo bastante atractivas para satisfacer al público.
• Por último, quemar leña desencadena una reacción de combustión en la que la energía química se transforma en energía térmica. Estos son algunos de los muchos ejemplos que existen, ya que la energía es la base sobre la que se sustentan todos los sistemas.

Ahora que conoces mejor la Ley de conservación de la energía, te recomendamos leer sobre las Propiedades generales de la materia y Propiedades específicas de la materia. Además, aquí puedes ver un vídeo sobre la Energía mecánica y su conservación para ampliar tus conocimientos sobre este tema de física.

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