Energía

La energía (del griego ἐνέργεια - energeia, "actividad, operación", de ἐνεργός - energos, "activo, trabajador"​) es una magnitud física abstracta, ligada al estado dinámico de un sistema y que permanece invariable con el tiempo en los sistemas aislados. Todos los cuerpos, por el sólo hecho de estar formados de materia, contienen energía; además, pueden poseer energía adicional debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura y algunas otras propiedades. Por ejemplo, un sistema con energía cinética nula está en reposo. Muy a menudo se define la energía como la capacidad de realizar trabajo.

La energía no es un ente físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos.

El uso de la magnitud energía en términos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energía, que con magnitudes vectoriales como la velocidad y la posición. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de sus componentes. En sistemas aislados además la energía total tiene la propiedad de conservarse es decir ser invariante en el tiempo. Matemáticamente la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema de Noether.

Energía potencial

Es la energía que se le puede asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de su posición o de su configuración. Si en una región del espacio existe un campo de fuerzas conservativo, entonces el trabajo requerido para mover una masa cualquiera desde un punto de referencia, usualmente llamado nivel de tierra y otro es la energía potencial del campo. Por definición el nivel de tierra tiene energía potencial nula. Algunos tipos de energía potencial que aparecen en diversos contextos de la física son:

• La energía potencial gravitatoria asociada a la posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (en el contexto de la mecánica clásica).
• La energía potencial electrostática V de un sistema se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación:

$\mathbf {E} =-\operatorname {grad} \ V$

• La energía potencial elástica asociada al campo de tensiones de un cuerpo deformable.

Energía cinética de una masa puntual

La energía cinética es un concepto fundamental de la física que aparece tanto en mecánica clásica, como mecánica relativista y mecánica cuántica. La energía cinética es una magnitud escalar asociada al movimiento de cada una de las partículas del sistema. Su expresión varía ligeramente de una teoría física a otra. Esta energía se suele designar como K, T o E_c.

El límite clásico de la energía cinética de un cuerpo rígido que se desplaza a una velocidad v viene dada por la expresión:

$E_{c}={1 \over 2}mv^{2}$

Una propiedad interesante es que esta magnitud es extensiva por lo que la energía de un sistema puede expresarse como "suma" de las energía de partes disjuntas del sistema. Así por ejemplo puesto que los cuerpos están formados de partículas, se puede conocer su energía sumando las energías individuales de cada partícula del cuerpo.

Energía en diversos tipos de sistemas

Todos los cuerpos pueden poseer energía debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, todas coherentes y complementarias entre sí, todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.

Física clásica

En Mecánica:

• Energía mecánica que es la combinación o suma de los siguientes tipos:
  • Energía cinética: debida al movimiento.
  • Energía potencial: la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo como por ejemplo:
    • Energía potencial gravitatoria
    • Energía potencial elástica, debida a deformaciones elásticas, también una onda es capaz de transmitir energía al desplazarse por un medio elástico.

En electromagnetismo se tiene:

• Energía electromagnética que se compone de:
  • Energía radiante
  • Energía del campo
  • Energía potencial eléctrica (véase potencial eléctrico)

En termodinámica:

• • energía interna suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema
  • Energía térmica debida a la temperatura

Física relativista clásica

En Relatividad:

• • Energía en reposo es la energía debida a la masa, según la conocida fórmula de Einstein.
  • Energía de desintegración, es la diferencia de energía en reposo entre las partículas iniciales y finales de una desintegración
  • Al redefinirse el concepto de masa, también se modifica el de energía cinética (véase Relación de energía-momento)

Física cuántica

En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además de la energía asociados a la materia ordinaria o campos de materia en física cuántica aparece la:

• Energía del vacío es un tipo de energía existente en el espacio, incluso en ausencia de materia

Química

En química aparecen además de la anterior formas específicas no mencionadas anteriormente:

• • Energía de ionización, una forma de energía potencial, es la energía que hace falta para ionizar una molécula o átomo.
  • Energía de enlace es la energía potencial almacenada en los enlaces químicos de un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta clase de energía, en función de la entalpía y energía calórica.

Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular (véase ATP).