Principio de Conservación de la Energía

Primera Ley de la Termodinámica: El Principio

El principio de conservación de la energía, también llamado Primera Ley de la Termodinámica, establece que:

«En un sistema aislado, la energía no puede ser creada o destruida, es decir, la energía total antes de la transformación es igual a la transformación total de energía»

Otra Forma de decirlo es que en un sistema aislado la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma en otro u otros tipos de energías.

En la siguiente imagen puedes ver varios ejemplos de transformación de la energía.

Luego veremos lo que es un sistema aislado.

Esta ley o principio se le acredita su descubrimiento a James Joule, a mediados del siglo XIX, pero gracias a Albert Einstein, ya no es válido tal como lo descubrió Joule.

Ahora se llama Principio de Conservación de la Masa y Energía.

Más adelante veremos esto más ampliado y por qué se llama así.

Ahora sigamos viendo nuestro principio.

Los 3 Postulados de la Conservación de la Energía

– Ni existe ni puede existir nada capaz de generar energía.

Por ejemplo; un generador eléctrico no genera energía eléctrica de la nada, lo que hace es que una energía de movimiento en el generador la transforma en eléctrica.

– Ni existe ni puede existir nada capaz de hacer desaparecer la energía.

– Si se observa que la cantidad de energía varía, siempre será posible atribuir esta variación a un intercambio de energía con algún otro cuerpo o con el medio circundante (por no ser un sistema aislado).

Según esta Ley, para cumplirse, debe ser en un sistema aislado.

Pero….¿Qué es un sistema aislado?

Sistema Aislado

– Sistema Aislado: Aquel que no interactúa con su entorno en modo alguno.

Tienen un comportamiento autónomo.

Sobrevive en base a sus propios mecanismos de funcionamiento.

Fíjate en la siguiente imagen y lo entenderás mucho mejor.

Un ejemplo se sistema aislado:  Una pelota que rueda por el suelo, la pelota sola no obedece a la ley de conservación de la energía, ya que no está aislada del suelo.

El suelo, de hecho, hace un trabajo sobre la pelota por fricción (rozamiento).

Sin embargo, si consideramos la pelota y el suelo juntos, será un sistema aislado y entonces si que se puede aplicar el principio de conservación de la energía.

Fíjate que la pelota interactúa con su entorno, en ese caso con el suelo, pero el sistema pelota-suelo no tiene ninguna interacción con su entorno.

El universo es un sistema aislado, como no sabemos qué hay afuera de él, ni si hay un afuera de él, debemos suponer que el universo es un sistema aislado, en el que no ingresa ni sale materia o energía, sino que opera de manera independiente de su entorno.

El principio de conservación de la energía es muy importante en física, porque gracias a él, podemos establecer las ecuaciones que equivalen a la suma de las diferentes formas de energía dentro de un sistema (suma de energías = energía total), y por lo tanto podemos ser capaces de resolver las ecuaciones para la velocidad, la distancia, o algún otro parámetro que dependa de la energía.

Luego veremos algunos ejercicios que se pueden resolver gracias a este principio.

Veamos ahora algunos ejemplos de transformación de energía donde se cumple este principio y donde podemos entenderlo mucho mejor:

10 Ejemplos del Principio de la Conservación de la Energía

1. En una bombilla eléctrica, la energía eléctrica se convierte en energía de la luz y calor.

2. En un micrófono, la energía del sonido se convierte en energía eléctrica, mientras que en un altavoz la energía eléctrica se convierte en energía sonora.

3. En una Central Hidroeléctrica, el agua cae desde una altura (energía potencial) sobre a una turbina haciendo que gire.

La energía en la turbina se convierte haciendo girar un generador eléctrico, generando de este modo una corriente eléctrica (energía eléctrica).

Por lo tanto, la energía potencial del agua se convierte en energía cinética de la turbina, y esta a su vez se convierte en energía eléctrica.

4. En una célula fotoeléctrica, la energía química se convierte en energía eléctrica.

Si se usa la célula para encender una bombilla, entonces la energía eléctrica se convierte en energía de la luz.

5. En el sol, la energía nuclear se convierte en energía de luz y calor.

Lo mismo ocurre en todas las reacciones nucleares en las estrellas.

6. Cuando una sustancia se calienta, la energía térmica se convierte en energía cinética de las moléculas.

Parte de la energía se utiliza para hacer el trabajo durante la expansión del gas.

7. Si un filamento de tungsteno se calienta (bombilla de filamento), emite electrones.

Por lo tanto, la energía térmica se convierte en energía eléctrica.

El efecto se llama la emisión termoiónica.

8. Cuando una corriente pasa a través de una resistencia, se genera calor.

Así, la energía eléctrica se convierte en energía térmica, por ejemplo, tostadoras, planchas, calentadores, etc.

9. En un motor eléctrico, la energía eléctrica se transforma en energía mecánica.

10. En los lugares donde hay fuertes vientos, los vientos giran las aspas de un molino de viento, el eje gira un generador eléctrico, generando una corriente eléctrica.

Por lo tanto la energía del movimiento del viento se convierte en energía mecánica del molino de viento, que se convierte en energía eléctrica.

Probablemente el ejemplo más estudiado en física sea el de la conservación de la energía mecánica.

Un cuerpo posee energía potencial debido a la altura que tenga.

Un cuerpo posee energía cinética (de movimiento) en función de la velocidad que tenga.

Si dejamos caer el cuerpo la energía potencial que tenia se reduce (menos altura) pero aumenta la cinética (va más rápido).

La energía mecánica es la suma de la potencial más la cinética.

Entonces, en la caída de un cuerpo aumenta la cinética y se va reduciendo la potencial, pero la mecánica (suma de ambas) permanece constante.

Fíjate en la imagen siguiente:

Si quieres saber más sobre esto visita: Energía Cinética y Potencial.

Principios Básicos de la Energía

La energía es la propiedad o capacidad que tienen los cuerpos y sustancias para producir transformaciones a su alrededor.

Durante las transformaciones la energía se intercambia.

La energía es la fuerza motriz para el universo.

La energía es una propiedad cuantitativa (de cantidad) de un sistema que puede ser cinética, potencial, o de otro tipo y por ser cuantitativa se puede medir.

Aquí puedes ver todos los tipos que hay: Tipos de Energía.

Hay muchas formas diferentes de energía.

Una forma de energía puede ser transferida a otra forma.

Las leyes de la termodinámica nos dicen cómo y por qué la energía se transfiere.

La primera Ley, ya la conoces «El Principio de la Conservación de la Energía».

Como dijimos al principio ya no se llama así, se llama de la Masa-Energía.

Veamos que ocurrió.

Principio de la Conservación de la Masa-Energía

Lavoisier descubrió en 1789 que la masa ni se crea ni se destruye y que las masas involucradas en un cambio físico o químico permanecen constantes, en un sistema cerrado.

Si, igual que la energía pero con las masas.

Lavoisier metía en una cubeta cerrada varios materiales y los pesaba.

Ahora los quemaba y volvía a pesarlos.

El sistema pesaba lo misma antes que después de la combustión.

Así estableció este principio, el Principio de la Conservación de la Masa.

En 1905 Albert Einstein combino ambos principios o leyes, la de la energía y la de la masa, y concluyó que bajo ciertas circunstancias, la masa y la energía pueden cambiar una ala otra y viceversa.

De ahí viene su famosa fórmula:

E = mc2 (mas por la velocidad de la luz al cuadrado)

La bomba atómica es un claro ejemplo de esta ley o principio.

Una pequeña masa de uranio o plutonio puede convertirse en una gran cantidad de energía.

Entonces….Si la energía se puede convertir en masa…

¿Ya no se cumple el principio de conservación de la energía?

Pues efectivamente esto es lo que descubrió Einstein, que en determinados casos no se cumplía.

Pero no te preocupes, todo sigue igual, pero la única diferencia es lo de la masa, por eso ahora se llama Principio de la Conservación de la Masa-Energía.

El Principio quedaría de la siguiente forma:

Mientras la masa y la energía pueden variar, en un sistema aislado, el total de ambas permanece constante.

Así que ya sabes hoy en día ya no se llama principio de la conservación de la energía, sino de la masa y energía.

Eso sí la Primera Ley de la Termodinámica sigue siendo el principio de la conservación de la Energía y la ley de la conservación de las masas sigue siendo una ley muy útil en química.

Ejercicios de la Conservación de la Energía (y la masa)

1. Al calentar 46,4 gramos de óxido de plata en un recipiente abierto, queda un residuo sólido de 43,2 gramos de masa de plata pura.

¿Qué ha sucedido?

a) No se cumple la ley de Lavoisier

b) Se ha cometido un error al medir las masas antes y después de la reacción

c) Se ha formado 3,2 gramos (la resta de la masa de la sustancia inicial menos la masa de la sustancia final) de una sustancia gaseosa que ha escapado a la atmósfera.

La correcta es la c).

La ley de conservación de masa siempre se cumple, el problema es que una sustancia surgida de la transformación se convirtió en gas y se escapó.

Esto le pasó muchas veces a Lavoisier hasta que descubrió que tenía que ser un sistema cerrado o aislado para que se cumpliera, por eso encerró las sustancias en una cubeta.

Ahora te dejamos unos ejercicios explicados en video sobre la conservación de la energía.

También puedes ver Resistencia Térmica

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