Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable ENERGÍA. CONOCIMIENTOS MÍNIMOS Energía desde la Física IEDS CNEA

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1 Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable ENERGÍA CONOCIMIENTOS MÍNIMOS Energía desde la Física IEDS CNEA 09

2 1. CONCEPTOS BÁSICOS DE MECÁNICA: FUERZA Y MASA La segunda ley de Newton proporciona significados precisos a los términos masa y fuerza [i]. La definición moderna de estos conceptos están definidos entonces por esta ley. Se define una unidad de fuerza, como la que le imparte a una masa de una unidad una aceleración también unitaria 1 Leyes de Newton 1) Cuando las sumas de las fuerzas que actúan sobre una partícula es igual a cero, su velocidad es constante. En particular, si inicialmente la partícula se halla en reposo, permanecerá en reposo. 2) Cuando la suma de las fuerzas que actúan sobre una partícula no es igual a cero, la suma de las fuerzas es igual a la razón del cambio de la cantidad de movimiento de la partícula. Si la masa es constante, la suma de las fuerzas es igual al producto de la masa de la partícula y su aceleración. 3) Las fuerzas ejercidas por dos partículas entre sí son iguales en magnitud y opuestas en dirección. Fuerzas fundamentales son aquellas fuerzas del universo que no se pueden explicar en función de otras más básicas. Las fuerzas o interacciones fundamentales conocidas hasta ahora son cuatro: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. La gravitatoria es la fuerza de atracción que una masa ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un solo sentido, pero de alcance infinito. La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, puede tener dos sentidos (atractivo y repulsivo) y su alcance es infinito. 1 1 N (newton) es la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1kg a 1 m/s 2

3 La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética. La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción (aparte de la gravitatoria, que afecta a todos los cuerpos). Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte. Teniendo en cuenta esta clasificación, la equivalencia de energía y trabajo y la definición de trabajo, podríamos decir que las energías fundamentales son: Energía gravitatoria Energía electromagnética Energía nuclear 2. EQUIVALENCIA ENTRE MASA Y ENERGÍA Históricamente, una de las grandes leyes de conservación en la ciencia fue la ley de conservación de la materia. Desde el punto de vista filosófico, este principio general fue enunciado por el poeta romana Lucrecio, contemporáneo de Julio César. Sin embargo, este concepto no fue establecido como un principio científico sólido sino hasta mucho tiempo después. La contribución experimental más importante la hizo Antoine Lavoisier ( ), quien es considerado por muchos como el padre de la química moderna. Este principio, que después recibió el nombre de conservación de la masa, demostró ser de gran utilidad en la química y la física. Sin embargo, los trabajos de Albert Einstein, en los que introdujo la teoría de la relatividad, produjeron serias dudas respecto a la validez de este principio general. Finalmente Einstein amplió este principio a través de su famosa fórmula E=m.c 2, donde E es la energía liberada, m la diferencia de masa o incremento, y c es la velocidad de la luz. Esta ecuación significa que la masa se puede transformar en energía y al revés, la energía en masa. Según esta fórmula, cuando en un proceso se pierde masa, esta no desaparece sino que se transforma en energía [ii].

4 En palabras del propio Einstein: La física prerrelativista incluye dos leyes de conservación de importancia fundamental, a saber, la ley de conservación de la energía y la ley de conservación de la masa; ambas parecen tener, en ella, una independencia total. En la teoría de la relatividad se funden en un solo principio. 3. PRINCIPIOS DE LA ENERGÍA PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Es la ley de la conservación de la energía, que afirma que la cantidad total de energía permanece invariable con el tiempo (no se crea ni destruye), aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía [ii]. Las transformaciones de energía puede ser varias: de mecánica a interna 2, de mecánica a eléctrica, de nuclear a interna, etc. Durante dichas transformaciones es cuando medimos los cambios de energía en términos de trabajo, ya que durante estas transformaciones de energía es cuando surgen las fuerzas y efectúan trabajo. En todo suceso natural se transforma cierta energía en otra, siempre con una equivalencia bien definida. En un sistema cerrado, aislado de toda influencia, se conserva la energía, comportándose entonces como una sustancia. La suma de todas las formas posibles de energía en tal sistema es una constante, aún cuando varíe la cantidad de cualesquiera de esas formas. Si se considera al Universo como un sistema cerrado, se puede enunciar pomposamente con los físicos del siglo XIX que la energía del universo es invariable, que no puede ser destruida ni creada.[iii] 2 En física, la energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, será el resultado de la suma de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración), y de la energía potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares).

5 A menudo en la historia de la física, pareció que este principio iba a fallar. Pero estos aparentes fallos estimularon a los físicos a buscar nuevos fenómenos que se asociaran a las fuerzas de interacción entre los cuerpos. Teles fenómenos se encontraron siempre, por lo tanto el concepto inicial de ENERGÍA se generalizó para incluir otras formas distintas, además de la cinética y la potencial de los cuerpos directamente observables. Esta relación ha ligado la mecánica con todas las áreas restantes de la física. El concepto de energía invade ahora a todas las ciencias físicas y ha llegado a ser una de las ideas unificadoras de la física. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Aunque la energía no se pierde, se degrada de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario [ii]. Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio. Cuando un cuerpo caliente y un cuerpo frío se ponen en contacto, simplemente no sucede que el cuerpo caliente se calienta más y que el frío se haga más frío. Tampoco ocurre que una laguna se congele repentinamente en un día de verano dando calor al medio ambiente. Y, sin embargo, ninguno de estos procesos viola la primera ley de la termodinámica. La segunda ley se ocupa de este problema, es decir, de cuales procesos que cumplen con la primera ley ocurren o no en la naturaleza. REFERENCIAS [i] Bedford, A. y Flower, W. Dinámica, mecánica para ingeniería. Addison-Wesley, Buenos Aires, [ii] Resnik, D. y Halliday, R.. Fisica, parte I. CIA Editorial Continental, México, [iii] Einstein e Infeld. La física, aventura del pensamiento. Editorial Losada, Buenos Aires, 2002.

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