Energía

La energía (del griego ἐνέργεια - energeia, "actividad, operación", de ἐνεργός - energos, "activo, trabajador"​) es una magnitud física que cuantifica la capacidad de realizar trabajo de un sistema físico.

En la física clásica, la ley universal de conservación de la energía, que es la base para el primer principio de la termodinámica, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece invariable en el tiempo. No obstante, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, contienen energía; además, pueden poseer energía adicional que se divide conceptualmente en varios tipos según las propiedades del sistema que se consideren. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica según el movimiento de la materia, la energía química según la composición química, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella y la energía térmica según el estado térmodinámico.

La energía no es un estado físico real, ni una sustancia intangible, sino una magnitud escalar que se asigna al estado del sistema. Se utiliza como una abstracción de los sistemas físicos por la facilidad para trabajar con magnitudes escalares, en comparación con las magnitudes vectoriales como la velocidad o la posición. Por ejemplo, en mecánica, se puede describir la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial, que componen la energía mecánica, que en la mecánica newtoniana 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, la energía potencial del campo en el punto (A) se define como el trabajo requerido para mover una masa desde un punto de referencia (nivel de tierra) hasta el punto (A). 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 gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio constante viene dada por: $E_{p}=mgh\,$ donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de energía potencial.
• 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 o energía de deformación, 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 de 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 al estado termodinámico de la materia del sistema.

Física relativista clásica

En la relatividad especial:

• Energía en reposo es la energía debida a la masa, según la conocida fórmula de Einstein que establece la equivalencia entre masa y energía.
• 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 puede no estar definida, pues 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 asociada 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 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 Ruta metabólica).