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Energía, trabajo y entropía



    1. Sumario
    2. La Energía en las Ciencias
      Físicas
    3. Magnitudes
      Físicas
    4. Energía y
      Pseudociencia
    5. Conclusiones
    6. Referencias

    Sumario

    Existe una gran diferencia entre lo que se considera
    "energía" en el habla popular y el significado que se le
    atribuye en las ciencias
    físicas. Contrariamente a lo que ocurre en el campo de las
    ciencias, en lo popular el concepto "energía" usualmente
    no está asociado a alguna magnitud. Desde el punto de
    vista de la de las ciencias físicas, la noción
    intuitiva y popular es incompleta y totalmente inaceptable, pues
    falta incluir un aspecto esencial para la actividad
    científica: el cómo se mide esa
    energía. En lo que sigue se analiza brevemente la evolución reciente del concepto
    "energía" en las ciencias físicas y su
    relación con otras magnitudes físicas y con las
    mediciones. Esta última dependencia resulta ser primordial
    para la correcta comprensión del concepto; se muestran
    ejemplos de cómo el obviar esta relación conduce
    usualmente a serios errores. De ahí que se recomiende
    extremo cuidado al analizar la posible introducción en los cursos de definiciones
    simplificadas o "novedosas" de las magnitudes
    físicas.

    Existe una doble acepción del término
    energía; se puede utilizar tanto para: a) designar un tipo
    específico de energía (cinética,
    magnética) como para: b) indicar el lugar de donde
    provienen o se almacenan los diferentes tipos de energía
    (eólica, solar). En las ciencias físicas no tiene
    mucho sentido hablar de "energía" a secas, término
    que, aislado de algún otro que especifique el tipo de
    energía, no es una magnitud mensurable y carece de una
    definición concluyente.

    Otros conceptos o términos que aparecen
    usualmente en la literatura no
    científica como energía vital,
    energía piramidal o energía
    biocósmica
    carecen de significado real y sólo
    se utilizan para tratar de dar credibilidad a supuestos
    resultados pseudocientíficos.

    Introducción

    Existe una gran diferencia entre lo que se considera
    "energía" en el habla popular y el significado que se le
    atribuye en las ciencias físicas. En lo popular,
    "energía" es prácticamente una noción
    intuitiva. Así, se acostumbra decir que determinada
    persona "es
    muy enérgica" o "tiene mucha energía" para expresar
    que es muy activa, que es capaz de trabajar continuamente o que
    puede realizar un gran número de tareas durante una
    jornada sin que padezca los efectos del cansancio (al menos
    aparentemente). Por otra parte, cuando alguien se esfuerza con
    tenacidad en alguna labor difícil, complicada y poco
    productiva, pensamos que está "gastando inútilmente
    sus energías".

    Sin embargo, desde el punto de vista de la de las
    ciencias físicas, esta noción intuitiva es
    incompleta y totalmente inaceptable, pues falta incluir un
    aspecto esencial para la actividad científica: el
    cómo se mide esa energía.

    A continuación se hace un breve análisis de la evolución reciente
    del concepto "energía" en las ciencias físicas y su
    relación con otras magnitudes y con las mediciones. Aunque
    muchas veces durante el proceso de
    enseñanzaaprendizaje se
    obvia el tema de las mediciones, veremos que el
    conocimiento de este tema resulta ser primordial para la
    correcta comprensión del concepto energía. Obviar
    la relación entre energía, magnitud y medición usualmente conduce a serios
    errores conceptuales.

    Y con relación a la importancia de las mediciones
    en la ciencia,
    vale la pena recordar las palabras de William Thomson (Lord
    Kelvin), uno de los padres de la Termodinámica moderna: "Suelo repetir con
    frecuencia que sólo cuando es posible medir y expresar en
    forma numérica la materia de que
    se habla, se sabe algo acerca de ella; nuestro saber será
    deficiente e insatisfactorio mientras no seamos capaces de
    traducirlo en números. En otro caso, y sea cual fuere el
    tema de que se trate, quizá nos hallemos en el umbral del
    conocimiento,
    pero nuestros conceptos apenas habrán alcanzado el nivel
    de ciencia"

    .

    Algunas de las ideas expuestas en este artículo,
    necesarias para la unidad del tema y la fácil
    comprensión del lector, ya han sido analizadas previamente
    con cierta profundidad al censurar la divulgación de
    falsos conceptos energéticos en los medios masivos
    de comunicación.

    La Energía en
    las Ciencias Físicas

    En forma similar a como ocurre con otros muchos
    conceptos y definiciones en la ciencia, el concepto
    "energía" ha ido evolucionando, ampliándose y
    perfeccionándose con el transcurso de los años. Si
    en los textos de hace 50 años era posible encontrar en los
    libros de
    texto
    definiciones tales como: "la energía de un cuerpo puede
    ser definida, en sentido amplio, como su capacidad para hacer
    trabajo
    " , hoy día muchos consideran que ésta
    definición es inexacta, al menos por dos
    razones.

    En primer lugar, muchos autores modernos dedicados a
    temas termodinámicos consideran trabajo y
    calor como
    formas de transmisión de la energía, y
    el trabajo
    queda definido como energía en tránsito . Si
    se combinan los criterios "energía = capacidad para hacer
    trabajo" y "trabajo = energía en tránsito"
    quedaría que la energía es algo así como "su
    capacidad de transmitirse", lo que carece de utilidad
    práctica por su excesiva generalidad.

    En segundo lugar, los cuerpos o sistemas siempre
    tienen energía, aún cuando esa energía
    haya perdido su capacidad para realizar trabajo
    . Veamos esto
    último más detalladamente.

    La energía se puede degradar (perder la
    capacidad de transmitirse en forma de trabajo útil) aunque
    durante el proceso no hayan existido pérdidas de
    energía. La medida de la degradación de la
    energía viene dada por el incremento de la
    entropía, otra propiedad
    termodinámica de los sistemas muy bien conocida y
    estudiada, aunque mucho menos popularizada que el concepto de
    energía. Sin embargo, no es necesario conocer las
    particularidades de la función
    entropía ni poseer un entrenamiento
    especializado en Termodinámica para comprender el
    significado de la degradación de la energía. Para
    ello considere el siguiente ejemplo.

    La energía almacenada en un gramo de combustible
    puede hacer girar las ruedas y mover un vehículo varios
    metros al combustionar, lo que equivale a transmitirse en forma
    de trabajo útil. Durante la combustión también se produce cierta
    transferencia de energía en forma de calor, que eleva la
    temperatura de
    las piezas internas del motor (incremento
    de energía térmica). La suma de las
    energías que aparecen en forma de: movimiento +
    energía térmica + energía de los residuos de
    la combustión es exactamente la misma que estaba
    almacenada en el combustible (principio de conservación de
    la energía). Eventualmente, la energía que
    adquirió el vehículo en movimiento también
    se transformará en energía térmica, a causa
    de la fricción de las partes móviles del motor, de
    la carrocería con el aire y de las
    ruedas con el pavimento y los frenos. Finalmente, esa
    energía térmica no desparece, sino que pasa al
    medio
    ambiente.

    La energía almacenada inicialmente en el
    combustible no se pierde, pero la energía
    térmica resultante en el proceso ya no puede volver a ser
    aprovechada para mover el vehículo
    .

    Por tanto, durante el proceso la energía ha
    perdido su capacidad de transmitirse en forma de trabajo (se ha
    degradado). Como la energía degradada no se puede utilizar
    nuevamente para obtener trabajo, la definición de
    energía como "capacidad de hacer trabajo" no parece ser
    totalmente general.

     Otros conceptos de energía, tal como "la
    energía es una medida del movimiento"
    , introducida por
    los filósofos materialistas del siglo XIX,
    entran en contradicción con los textos
    contemporáneos de física, donde es
    posible encontrar energías descubiertas posteriormente que
    no están asociadas al movimiento. Por citar sólo un
    ejemplo, en referencia a la famosa relación de Einstein
    entre la masa y la energía (1905) un conocido texto de
    física afirma : " … podemos aseverar que un cuerpo en
    reposo tiene una energía Eo = mc2 en
    virtud de su masa en reposo. A ésta cantidad se le llama
    energía en reposo"… y es adicional a la
    energía asociada al movimiento de la
    partícula.

    Esta indefinición asociada a la energía,
    aunque muchas veces conocida, es obviada o soslayada en la
    mayoría de los libros de texto. Una excepción
    notable puede encontrarse en The Feynman Lectures on
    Physics
    . La discusión del tema comienza introduciendo
    el principio de conservación de la energía, – sin
    definir esta última previamente – . Tras ilustrar el
    principio con algunos ejemplos, se afirma posteriormente que la
    energía tiene un gran número de formas
    diferentes, cada una con su correspondiente fórmula
    asociada: gravitatoria, cinética, radiante, nuclear,
    eléctrica, química,
    elástica, térmica, másica, para luego
    concluir el razonamiento de la siguiente manera: "Es
    importante notar que en la física de hoy día no
    tenemos conocimiento acerca de lo que es la energía. … .
    Es un algo abstracto en el sentido que no nos dice el mecanismo o
    las razones para las diversas fórmulas
    (sic)."

    Tampoco faltan intentos mas recientes de dar una
    definición general de energía, ligados a la
    sugerencia de impartir la mecánica de forma "novedosa", comenzando
    los cursos por los conceptos de trabajo y energía.
    Así, por ej., citamos: "Un cuerpo posee energía
    cuando puede producir cambios o transformaciones en otros cuerpos
    o en sí mismo" ,
    definición que sugiere que
    después que cesa el cambio o la
    transformación los sistemas ya no tienen energía.
    Aún más, a diferencia de las otras dos definiciones
    analizadas anteriormente, donde se mencionaba el trabajo o el
    movimiento, en este caso ni siquiera aparece el intento de
    asociar la definición a la medición de alguna otra
    magnitud física.

    De hecho, hoy día es prácticamente
    imposible encontrar en los libros de texto una definición
    generalizada de energía que no pueda ser impugnada por una
    razón u otra. ¿Cómo introducir, entonces, el
    concepto de energía?

    Magnitudes
    Físicas

    Para esclarecer la pregunta anterior es necesario
    analizar primeramente lo que significa una magnitud
    física
    , pues las ciencias físicas trabajan
    exclusivamente con magnitudes.

    Magnitud es todo lo que se pueda medir con la ayuda de
    algún un instrumento, de manera que sea posible asignarle
    un valor
    numérico. En consecuencia, son magnitudes la longitud, el
    tiempo, el
    volumen y la
    dureza, por mencionar algunos ejemplos. El amor y la
    belleza, entre otros, no son magnitudes; no es posible medir
    ninguno de los dos con algún instrumento ni expresar su
    valor con cifras. Una vez esclarecido el concepto de magnitud, el
    problema de la aparente ambigüedad del concepto
    energía queda perfectamente resuelto. En el marco de las
    ciencias físicas, para definir correctamente cualquier
    tipo de energía, es necesario incluir en la
    definición la forma de medir, directa o
    indirectamente, ese tipo particular de energía.

    Así, son perfectamente conocidos muchos tipos
    específicos de energía: cinética, potencial,
    magnética, energía en reposo (ver tabla 1). Todos
    ellas son mensurables, es decir, se les puede asignar un
    determinado valor numérico, que dependerá de las
    características particulares del sistema analizado
    en un instante determinado. Y, en principio, siempre será
    posible registrar y estudiar continuamente sus variaciones con el
    transcurso del tiempo o los efectos de algún
    parámetro externo sobre su valor. Dicho de otra forma,
    siempre será posible llevar a cabo experimentos y
    hacer ciencia con estas energías.

    Tabla 1

    Expresión Analítica de
    Algunos Tipos de Energía

    El principio de conservación de la
    energía
    resume la realidad experimental de que siempre
    que desaparece algún tipo de energía en un sistema
    (cinética, potencial, del campo) en algún otro
    sistema aparece igual cantidad de energía, del mismo o de
    otro tipo. Fueron necesarios miles y miles de experimentos
    cuantitativos a lo largo de muchos años para llegar a
    conocer esta realidad. Su desconocimiento puede conducir a
    conclusiones absurdas, incluso en temáticas que, a primera
    vista, no parezcan tener relación directa con la
    termodinámica.

    Otro aspecto a considerar, y que usualmente tiende a
    introducir confusión entre los no especialistas, es que el
    término energía también se utiliza
    para describir el lugar donde se encuentran almacenadas (o de
    donde provienen) las diferentes clases o tipos de energía
    considerados anteriormente. Así, por ejemplo, en
    termodinámica se habla de la energía interna
    refiriéndose a la suma de todos los tipos de
    energía que puedan existir en un determinado sistema
    (cinética, potencial, electrostática). El concepto
    energía química se utiliza usualmente para
    designar la energía almacenada en los enlaces
    químicos de las sustancias. También se habla de
    energía eólica (energía
    cinética del viento) energía solar y
    energía nuclear, entre otras.

    Es decir, existe una doble acepción del vocablo
    energía; se puede utilizar, siempre en combinación
    con algún otro término, tanto para: a) designar un
    tipo específico de energía perfectamente mensurable
    (cinética, magnética), como para: b) indicar el
    lugar de donde provienen o se almacenan los diferentes tipos de
    energía (eólica, solar). Note que en ambos casos el
    término "energía" tiene asociado algún
    "apellido" (cinética, solar) que lo identifica totalmente,
    y también que en las ciencias físicas no tiene
    mucho sentido hablar de "energía" a secas, término
    que aislado carece de una definición exacta por no ser
    mensurable. Resulta conveniente señalar que el intento de
    tratar de redefinir otras magnitudes físicas, obviando el
    hecho de que son precisamente magnitudes, suele conducir a
    resultados funestos. Esta situación se presenta a menudo
    cuando se desea "mejorar" o simplificar excesivamente la
    enseñanza de la física, introduciendo enfoques
    supuestamente "novedosos" (ver recuadro).

    Energía y Pseudociencia

    La doble acepción del concepto energía ha
    favorecido la difusión de vocablos
    pseudocientíficos que tienden más a enmascarar la
    realidad que a esclarecerla. La pseudociencia utiliza
    profusamente la terminología científica,

    pero sin que los conceptos utilizados por ella
    estén realmente asociados al fenómeno que se
    pretende describir. La fraseología pseudocientífica
    se utiliza con frecuencia para tratar de justificar el uso de
    algún nuevo producto
    comercial de dudosa eficacia, con la
    finalidad expresa de embaucar al lector. También se emplea
    habitualmente, con fines similares, para justificar la
    aplicación de alguna "nueva" terapia médica cuya
    efectividad no ha sido demostrada
    científicamente.

    Así, es posible encontrar en la literatura no
    científica términos tales como
    bioenergía, energía vital o
    energía piramidal que, o bien carecen de
    significado, o se utilizan con un significado erróneo.
    Otras veces se habla de "energía cósmica",
    "energía biocósmica" o términos similares.
    Ninguno de estos términos aparece registrado en el
    diccionario,
    mucho menos en la literatura científica, y sólo
    sirven para indicar la carencia de conocimientos
    científicos de quienes los utilizan (ver ref.
    /2/).

    Considere la definición de
    trabajo que aparece en el artículo mencionado
    anteriormente /6/: "Trabajo: cambio de la energía de un
    sistema por la aplicación de una fuerza
    " (sic).
    Apliquemos esta definición al sistema formado por la Tierra y un
    cuerpo que cae hacia ella desde una altura cercana a su
    superficie. La energía cinética del cuerpo
    varía bajo la acción
    de la fuerza
    gravitatoria y, según la definición anterior,
    habría trabajo. Pero la energía mecánica del sistema no cambia (sistema
    conservativo) y, de acuerdo a la definición, no
    habría trabajo. Es decir, la definición propuesta
    es inaceptable por ambigua: según esa definición,
    aún en un mismo sistema y fenómeno, habrá o
    no trabajo en dependencia de la energía que Ud. tome en
    cuenta.

    Conclusiones

    Es posible resumir brevemente el análisis
    anterior de la siguiente forma:

    • El término "energía" tiene significados
      muy diferentes en las ciencias físicas y en el habla
      popular. Contrariamente a lo que ocurre en el campo de las
      ciencias, en lo popular el concepto "energía" no
      está asociado a alguna magnitud.
    • Existe una doble acepción del término
      energía; se puede utilizar tanto para: a) designar un
      tipo específico de energía (cinética,
      magnética) como para: b) indicar el lugar de donde
      provienen o se almacenan los diferentes tipos de energía
      (eólica, solar).
    • En las ciencias físicas no tiene mucho sentido
      hablar de "energía" a secas, término que, aislado
      de algún otro que especifique el tipo de energía,
      no es una magnitud mensurable y carece de una definición
      concluyente.
    • Se recomienda ser en extremo cuidadoso al analizar la
      posible introducción de supuestas definiciones
      "novedosas" de las magnitudes físicas.
    • Términos tales como energía vital,
      energía piramidal o energía biocósmica son
      términos que carecen de significado real y sólo
      se utilizan usualmente para tratar de dar credibilidad a
      supuestos resultados pseudocientíficos.

    Arnaldo González Arias,

    Dpto. Física Aplicada,

    Universidad de La Habana;

    Referencias

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