Qué es la energía

Un julio permite elevar una manzana de 100 g aproximadamente 1 m; un automóvil de 1000 kg a 90 km/h lleva unos 310 000 julios.

La energía permite que las cosas cambien

Una pelota que rueda, una liga estirada, una taza de té caliente y la batería cargada de un teléfono tienen algo en común. Todas pueden producir algún efecto: empujar, elevar, calentar o iluminar algo. En física, esa capacidad recibe el nombre de energía y se mide en una misma unidad: el julio (J). El nombre honra a James Prescott Joule, quien demostró en la década de 1840 que el trabajo mecánico y el calor son dos manifestaciones de una misma cantidad.

Un julio es poca energía. OpenStax ofrece una imagen útil: un julio permitiría elevar una manzana pequeña de 100 g aproximadamente un metro. Compruébalo con la fórmula que verás en la unidad 4: 0.1 kg × 9.8 m/s² × 1 m = 0.98 J, casi un julio. La energía de los alimentos se cuenta en unidades mayores. Una Caloría alimentaria (kcal) equivale a 4186 J, y la alimentación diaria recomendada para un adulto aporta alrededor de 1.2 × 10⁷ J, doce millones de julios.

Muchas formas, una misma cantidad

La energía adopta muchas formas, cuyos nombres indican dónde se encuentra. Todo lo que se mueve tiene energía cinética. Al elevar algo contra la gravedad se almacena energía potencial gravitatoria; al deformar un resorte o un arco, energía potencial elástica. Los combustibles, los alimentos y las baterías contienen energía química. La energía térmica corresponde al movimiento aleatorio de átomos y moléculas, que percibimos como temperatura. La energía eléctrica se transmite por cables, la energía radiante viaja como luz y la energía nuclear se libera cuando los núcleos atómicos se dividen o se fusionan.

La suma de las energías cinética y potencial se llama energía mecánica. Son las dos formas que se aprecian de inmediato en un columpio o una montaña rusa, y las que más usaremos en este curso. Las otras formas aparecen cuando la energía deja de ser mecánica, casi siempre al convertirse en calor.

La energía no se crea ni se pierde

El hecho más útil sobre la energía es que su cantidad total nunca cambia. OpenStax enuncia así la ley de conservación de la energía: la energía total permanece constante en cualquier proceso; puede cambiar de forma o pasar de un sistema a otro, pero el total sigue siendo el mismo. Cuando un automóvil frena, su energía cinética no desaparece. Se convierte en energía térmica en los discos de freno, que por eso se calientan. Al cargar un teléfono, la energía eléctrica se convierte en energía química en la batería y, después, en luz y calor de la pantalla.

Si la energía se conserva, ¿por qué hablamos de gastarla? Porque importa la forma en que se encuentra. La energía dispersa como calor en el aire sigue ahí, pero es difícil recuperarla y volver a utilizarla. Una central que quema carbón solo convierte en electricidad alrededor del 40 por ciento de la energía química del combustible; el resto se libera como calor. La unidad 5 mide esto mediante una cantidad llamada eficiencia.

¿Cuánto es un julio? Una escala de energías

La tabla compara varias cantidades de energía cotidianas con valores de la tabla 7.1 de OpenStax. El intervalo es enorme. Un mosquito en vuelo tiene una energía cinética de aproximadamente una millonésima de julio; un galón de gasolina contiene unos cien millones de julios. La notación científica facilita la lectura de estas cifras: 1.2 × 10⁸ significa desplazar ocho posiciones el punto decimal de 1.2, lo que da 120 000 000.

Puedes comprobar por tu cuenta la fila del automóvil. A 90 km/h, la rapidez es de 25 m/s, y la energía cinética es ½ × 1000 × 25² = 312 500 J, que se redondea a 3.1 × 10⁵ J. La unidad 3 explica de dónde sale esta fórmula.

La energía también puede transferirse sin cambiar de forma. Una sartén caliente calienta el mango mediante transferencia de calor, una batería transmite energía por un cable hasta una lámpara y la luz solar transporta energía por el espacio desde el Sol hasta la Tierra. En física distinguimos dos términos. Una transformación cambia la forma de la energía, por ejemplo, de química a cinética. Una transferencia mueve energía de un objeto o sistema a otro, ya sea mediante trabajo (una fuerza que actúa a lo largo de una distancia) o mediante calor (flujo de lo caliente a lo frío). La siguiente unidad trata del primero: el trabajo.