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La conservación de la energía es el principio que establece que la energía no puede crearse ni destruirse, aunque sí puede cambiarse de una forma a otra. La ley de la conservación de la energía se ha establecido mediante una multitud de mediciones meticulosas de las ganancias y pérdidas de todas las formas conocidas de energía, incluidas las mecánicas, eléctricas, magnéticas, térmicas, químicas y nucleares. En todos los casos, algunas partes o partículas del sistema pueden ganar energía, pero otras deben perderla igualmente. Así, en cualquier sistema aislado o cerrado, la suma de todas las formas de energía permanece constante. La energía del sistema puede interconvertirse entre muchas formas diferentes (véase la ilustración). A medida que avanza cualquier proceso físico, la segunda ley de la termodinámica predice que las transformaciones de energía favorecerán el aumento del desorden y la disminución de la disponibilidad de energía para realizar trabajo. Sin embargo, dentro de los límites de una pequeña incertidumbre experimental, no se ha observado ningún cambio en la cantidad total de energía en ninguna situación en la que haya sido posible asegurar que la energía no ha entrado o salido del sistema en forma de trabajo o calor. Para un sistema que gana y pierde energía en forma de trabajo y calor, como es el caso de cualquier máquina en funcionamiento, el principio de energía afirma que la ganancia neta de energía es igual al cambio total de la energía interna del sistema. Véase también: Leyes de conservación (física); Energía; Conversión de energía; Principios termodinámicos
Aplicación a los procesos vitales
El principio de la energía también se aplica a los procesos vitales. Por ejemplo, la cantidad de calor obtenida al quemar alimentos equivalente a la ingesta diaria de alimentos de un animal es igual a la cantidad diaria de energía liberada por el animal en forma de calor, trabajo realizado y energía en los productos de desecho. (Se supone que el animal no gana ni pierde peso). Se han realizado estudios con resultados similares sobre la fotosíntesis, proceso del que depende en última instancia la existencia de prácticamente toda la vida vegetal y animal. Véase también: Metabolismo; Fotosíntesis
Conservación de la energía mecánica
El principio de conservación de la energía puede enunciarse de muchas maneras, dependiendo de la aplicación que se le quiera dar. Algunos ejemplos son los distintos métodos para enunciar la primera ley de la termodinámica, el teorema de la energía cinética del trabajo y la afirmación de que el movimiento perpetuo del primer tipo es imposible. Resulta especialmente interesante la forma especial del principio conocido como principio de conservación de la energía mecánica (Ek cinética más Ep potencial), que afirma que la energía mecánica de cualquier sistema de cuerpos conectados entre sí de cualquier manera se conserva, siempre que el sistema esté libre de todas las fuerzas de fricción, incluida la fricción interna que podría surgir durante las colisiones de los cuerpos del sistema. Aunque las fuerzas de fricción u otras fuerzas no conservativas están siempre presentes en cualquier situación real, sus efectos en muchos casos son tan pequeños que el principio de conservación de la energía mecánica es una aproximación muy útil. Así, para un misil o un satélite que se desplaza a gran altura en el espacio, los efectos de disipación procedentes de fuentes como el aire residual y el polvo meteórico son tan sumamente pequeños que la pérdida de energía mecánica (Ek + Ep) del cuerpo a medida que avanza en su trayectoria puede, para muchos fines, despreciarse. Véase también: Fricción; Movimiento perpetuo; Principios termodinámicos
Equivalente mecánico del calor
A mediados del siglo XIX, James Prescott Joule y otros demostraron la equivalencia del calor y el trabajo al demostrar experimentalmente que siempre aparece una cantidad definida de calor por cada cantidad definida de trabajo realizado contra la fricción. Los experimentos se organizaban normalmente de forma que el calor generado era absorbido por una cantidad determinada de agua, y se observaba que un gasto determinado de energía mecánica producía siempre el mismo aumento de temperatura en el agua. La relación numérica resultante entre las cantidades de energía mecánica y de calor se denomina equivalente Joule, que también se conoce como equivalente mecánico del calor.
Conservación de la masa-energía
Teniendo en cuenta el principio de equivalencia de la masa y la energía en la teoría restringida de la relatividad, el principio clásico de conservación de la energía debe considerarse como un caso especial del principio de conservación de la masa-energía. Sin embargo, este principio más general sólo debe invocarse cuando se trata de ciertos fenómenos nucleares o cuando se trata de velocidades comparables a la de la luz (3,00 × 105 km/s o 1,86 × 105 mi/s). Véase también: Relatividad
Leyes del movimiento
Dado que la suma de todas las formas de energía en un sistema aislado o cerrado permanece constante, el comportamiento real de todas las partes o partículas del sistema (y, por tanto, de todo el sistema en sí) obedece a ciertas leyes del movimiento. Por lo tanto, estas leyes del movimiento deben ser tales que la energía del sistema total no se vea modificada por las colisiones u otras interacciones de sus partes. Véase también: Movimiento; Leyes del movimiento de Newton.
Datos verificados por: Thompson
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Introducción: Almacenamiento de energía en general
La vida es, por supuesto, mucho más que simplemente ganar y usar energía, ya que la vida debe usar la energía cuando y donde la necesite para ayudar al organismo a ajustarse a un entorno en continuo cambio. Así como un motor o una luz necesitan un interruptor para apagarse y encenderse según sea necesario, la vida también debe tener interruptores. Como un simple ejemplo, si nuestros músculos estuvieran disparando todo el tiempo, serían inútiles, y de hecho tal condición es una patología llamada tétanos. Así, la vida ha desarrollado toda una serie de complejos controles e interruptores que utilizan la energía disponible del sol o de los alimentos poco a poco, almacenándola y liberándola según sea necesario y controlada por las hormonas y el sistema nervioso que operan a través de una bioquímica muy compleja. La solución general que ha evolucionado para el problema de almacenamiento y encendido/apagado ha sido el uso de varios depósitos de almacenamiento. Esto permite la captura, almacenamiento, transporte y liberación de la energía puesta a disposición del organismo por la fotosíntesis o por la ingestión de alimentos. El compuesto más común de este tipo para el almacenamiento a corto plazo (véase más detalles en esta plataforma general) es el trifosfato de adenosina (ATP) y su forma menos energizada ADP. Siempre que el cuerpo necesita energía, rápidamente llama al ATP para que la entregue. Estos compuestos son omnipresentes en la vida y son críticos para todas las actividades que realiza un organismo. El almacenamiento a medio plazo (véase más detalles en esta plataforma general) es el glucógeno en nuestro hígado, y el almacenamiento a largo plazo (véase más detalles en esta plataforma general) es muy familiar para nosotros como grasa corporal.
Las plantas y los animales en la naturaleza han sido sometidos a una feroz presión selectiva para hacer lo “correcto” energéticamente, es decir, para asegurarse de que cualquier actividad importante que hicieran, y hacen, ganara más energía de la que costaba y, en general, obtuviera un mayor rendimiento (véase una definición en el diccionario y más detalles, en la plataforma general, sobre rendimientos) energético neto que las actividades alternativas. La biología del siglo pasado se había centrado, de manera bastante apropiada, principalmente en la aptitud, es decir, en la capacidad de los organismos para sobrevivir y reproducirse, en otras palabras, para impulsar sus genes hacia el futuro. Si bien es obvio que un guepardo, por ejemplo, tiene que atrapar más energía en su presa de la que necesita para agotarla, y bastante más para superar los tiempos de escasez y también para reproducirse, fue necesario el desarrollo de isótopos de doble etiqueta y los exquisitos procedimientos experimentales de personas como Donald Thomas y sus colegas [4] para mostrar la poderosa energía neta que controlaba la aptitud física. Estudiaron tetas (pollos) en Francia y Córcega, y descubrieron que aquellas aves que sincronizaban sus migraciones, la construcción de nidos y el nacimiento de sus crías para coincidir con la disponibilidad estacional de grandes orugas, que a su vez dependían del momento del desarrollo de las hojas de roble de las que se alimentaban, tenían un excedente de energía mucho mayor que sus homólogos que no se alimentaban de las orugas. Ellas volaban más, más grandes, y por lo tanto más parecidas para sobrevivir a sus crías, mientras que también aumentaban enormemente su propia probabilidad de volver al año siguiente para reproducirse de nuevo. Aquellas de sus crías que heredaron el “calendario” adecuado para la migración y la nidificación tenían a su vez muchas más probabilidades de tener un apareamiento exitoso y así sucesivamente. Thomas y otros también mostraron cómo el patrón evolutivo natural estaba siendo alterado por el cambio climático, de manera que las tetas tendían a llegar a sus sitios de anidación demasiado tarde para aprovechar las orugas, que emergían más temprano en respuesta a las primeras hojas. Presumiblemente, si el calentamiento climático continúa, la selección natural favorecerá a las tetas que tenían genes que les decían que se movieran al norte un poco antes.
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Termodinámica: Tal y como describe la ciencia de la termodinámica, un conjunto de cuatro leyes rigen la relación del calor y la temperatura con la energía y el trabajo. Estas leyes describen las interacciones energéticas de los sistemas físicos con su entorno. La ley número cero de la termodinámica explica que si dos sistemas aislados separados están en equilibrio con un tercer sistema aislado, entonces los dos primeros sistemas también están en equilibrio entre sí. La primera ley de la termodinámica está relacionada con la ley de la conservación de la energía y explica que la energía puede intercambiarse entre un sistema y su entorno como flujo de calor o trabajo. La relación entre la energía, el calor y el trabajo se representa matemáticamente con la ecuación: ΔU = w + q, donde el cambio de energía interna del sistema se representa con ΔU. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía (espontaneidad) de un sistema aislado aumentará con el tiempo. Esta ley explica por qué el calor viaja de los objetos más calientes a los más fríos. La tercera ley de la termodinámica establece que para que un sistema realice trabajo, la entropía tiene que aumentar. En consecuencia, a medida que la temperatura de una sustancia se acerca al cero absoluto, la entropía disminuirá hasta alcanzar un valor mínimo constante. Véase también: Ciencias Físicas, Energía, Termodinámica.
Radiactividad: La radiactividad es un fenómeno resultante de la inestabilidad del núcleo atómico en ciertos átomos, por lo que el núcleo experimenta una transición o transformación nuclear espontánea pero mediblemente retardada, con la consiguiente emisión de radiación. Los tipos de radiactividad más comunes son la alfa, la beta negatrón, la beta positrón, la captura de electrones y la transición isomérica. La existencia de un retardo o tiempo de vida medible distingue una transición nuclear radiactiva de una transición nuclear rápida, como la que se produce en la emisión de la mayoría de los rayos gamma. El intervalo de tiempo en el que la probabilidad de supervivencia de un átomo radiactivo concreto es exactamente la mitad se denomina periodo o vida media. Véase también: Ciencias Físicas, Destacado, Energía.
Materia Radiactiva: Los materiales radiactivos emiten radiaciones, que pueden ser de diferentes tipos, especialmente radiaciones gamma o neutrónicas, que son radiaciones penetrantes. Los sistemas para transportar o almacenar material radiactivo incluyen un material de blindaje, que se interpone entre la fuente de radiación y las personas o el entorno, con el fin de absorber la radiación y reducir así la exposición a la misma. Las materiales radiactivos de origen natural (NORM) pueden ser transportadas a la superficie en el agua producida y pueden encontrarse en los residuos de producción, en los equipos y en los sólidos de las instalaciones de producción. Los materiales radiactivos se utilizan para el diagnóstico radiológico, la medicina radiológica y los radiofármacos. Los riesgos de radiación también existen en todos los lugares donde se almacenan materiales radiactivos. Véase también: Ciencias Físicas, Destacado, Energía.
Interior de la Tierra: El interior de la tierra es toda la Tierra bajo la superficie terrestre y el fondo del océano, incluyendo la corteza, el manto y el núcleo. El interior no es accesible a la observación directa. No obstante, se ha construido un modelo bastante detallado a partir de las mediciones realizadas en la superficie o por encima de ella. Las velocidades de las ondas sísmicas también pueden medirse en experimentos de laboratorio en los que las muestras de roca se someten a las altas presiones y temperaturas típicas de las condiciones del interior profundo. Los meteoritos proporcionan muestras de roca de materiales que probablemente son abundantes en el sistema solar. La comparación de las mediciones de laboratorio y de campo conduce, pues, por inferencia, a un modelo en el que la composición y la distribución de la temperatura pueden especificarse hasta cierto punto. Para averiguar dónde y en qué proporciones residen los distintos materiales en la Tierra, se comparan las mediciones de laboratorio de alta presión y alta temperatura con la estructura sísmica y de densidad. La Tierra consta de una corteza, un manto y un núcleo, por lo que existe una diferenciación composicional en al menos tres regiones. Cada una de estas regiones se diferencia de nuevo, tanto verticalmente como, al menos para la corteza y la parte superior del manto, lateralmente. Véase también: Distribución geoquímica de la Tierra; Física de las altas presiones. Véase también: Ciencias Físicas, Conservación de la Naturaleza, Destacado.
Fisión Nuclear: Un evento de fisión nuclear es la división de un núcleo en dos o más fragmentos de núcleo más ligeros. El proceso de fisión se rige principalmente por la energía de enlace nuclear y la competencia entre la fuerza nuclear atractiva y la fuerza repulsiva de Coulomb.
El modelo de gota líquida del núcleo proporciona una explicación cualitativa y cuantitativa eficaz de la fisión. Un evento de fisión típico libera un total de unos 200 millones de electronvoltios (MeV) de energía. Los isótopos tienen un rendimiento de fisión independiente, es decir, una probabilidad de que se produzcan en cualquier evento de fisión. Esta naturaleza probabilística de la fisión implica que cada evento de fisión y sus distribuciones de masa y energía resultantes son diferentes. La emisión inmediata de neutrones durante la fisión proporciona la capacidad de una reacción en cadena de eventos de fisión. La emisión retardada de neutrones por los fragmentos permite controlar las reacciones en cadena. Véase también: Ciencias Físicas, Destacado, Energía.
Esquema de las Ciencias Físicas: Las tres ciencias físicas, cada vez más complementarias, de la física, la química y la astronomía albergan los conocimientos y las teorías organizadoras sobre la materia en todas sus dimensiones, desde las partículas subatómicas hasta el cosmos, sobre todos los estados de la materia, todas las formas de energía y todas las interrelaciones de la materia y la energía. Véase también: Ciencias Físicas, Destacado, Energía.
Edad del Planeta Tierra: Que la Tierra e incluso el Universo tengan una edad es algo evidente hoy en día. Es bien sabido que estas edades se cuentan en miles de millones de años: 4550 millones para la Tierra y sin duda unas tres veces más para el Universo, como establecieron respectivamente los geoquímicos a mediados del siglo XX y los cosmólogos en las décadas siguientes. Sin embargo, estos resultados fueron el resultado de una búsqueda muy larga que comenzó en la antigüedad grecorromana y que puede dividirse en cuatro grandes períodos que se superponen parcialmente. Véase también: Ciencias Físicas, Conservación de la Naturaleza, Destacado.
Contaminación Radiactiva: La contaminación radiactiva se define como la deposición o introducción de sustancias radiactivas en el medio ambiente, cuando su presencia no es intencionada o los niveles de radiactividad son indeseables. Este tipo de contaminación es perjudicial para la vida debido a la emisión de radiaciones ionizantes. Los organismos vivos están continuamente expuestos a una serie de radiaciones llamadas de fondo. Si el nivel de radiación radiactiva aumenta por encima de un determinado límite, provoca efectos nocivos para los seres vivos. Este nivel nocivo de radiación emitido por los elementos radiactivos se denomina contaminación radiactiva. La descontaminación de materiales radiactivos es la eliminación de la contaminación radiactiva que se deposita en las superficies o se extiende por una zona de trabajo. Se incluye la descontaminación del personal. La contaminación radiactiva es un peligro potencial para la salud y, además, puede interferir en el funcionamiento normal de las instalaciones, especialmente cuando se utilizan instrumentos de detección de radiaciones con fines de control. Con el rápido desarrollo de la industria nuclear, la sobreexplotación del uranio ha provocado una serie de problemas de contaminación radiactiva en el agua, el suelo, la atmósfera y el ecosistema. Véase también: Ciencias Físicas, Co, Energía.
Colisión: En física, una colisión tiene lugar cuando las partículas, los agregados de partículas o los cuerpos sólidos se mueven unos hacia otros y se acercan lo suficiente como para interactuar y ejercer una influencia mutua. Cuando las únicas fuerzas que actúan sobre los cuerpos que colisionan son las que ejercen los propios cuerpos, el principio de conservación del momento establece que el momento total del sistema no cambia en el proceso de colisión. En función de si la energía mecánica (y, por tanto, la energía cinética) se conserva o no, las colisiones se clasifican como elásticas o inelásticas, respectivamente. El coeficiente de restitución indica el grado de elasticidad o inelasticidad de la colisión. Un coeficiente de restitución igual a cero indica una colisión perfectamente inelástica, en la que los cuerpos que colisionan se mantienen unidos después de la colisión. También se examina el Reglamento de Abordajes, 1972, el Reglamento internacional para prevenir los abordajes en el mar, anexo al Convenio sobre el Reglamento Internacional para la Prevención de Colisiones en el mar. Colisión también puede referirse, entre otras, a: Astronomía / Astrofísica: Una colisión intergaláctica: colisión entre dos galaxias (Ejemplo: Andrómeda x Vía Láctea). Geociencias: Colisión continental: choque entre dos placas continentales. Colisión, en criptografía: situación en la que dos datos tienen la misma huella. Informática: Dominio de colisión: zona lógica de una red informática donde los paquetes de datos pueden colisionar entre sí, especialmente con el protocolo de comunicación Ethernet. Pseudocolisión, en criptografía: dos resultados de la misma función hash que tienen similitudes significativas. Colisión (telecomunicaciones), o colisión de redes. Colisión de tráfico. Véase también: Ciencias Físicas, Co, Mecánica Clásica.
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1 comentario en «Conservación de la Energía»
La conservación de la energía permite interconvertir la energía entre muchas formas diferentes. En el uso de la energía eólica, por ejemplo, la energía cinética del viento (movimientos del aire) puede ser convertida por las palas de las turbinas en energía eléctrica.
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La conservación de la energía permite interconvertir la energía entre muchas formas diferentes. En el uso de la energía eólica, por ejemplo, la energía cinética del viento (movimientos del aire) puede ser convertida por las palas de las turbinas en energía eléctrica.