Conservación de La Energía

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
El Principio de conservación de la energía

indica que la energía no se crea ni se destruye;
sólo se transforma de unas formas en otras. En
estas transformaciones, la energía total
permanece constante; es decir, la energía total
es la misma antes y después de cada
transformación.
La conservación de la energía es uno de los conceptos más importantes de la física

todos los fenómenos. Algunos resultados de una investigación sobre el proceso de
energía y su conservación realizado en el nivel de la educación secundaria española. La
conservación de la energía se introduce en mecánica y termodinámica pero no en
todos los campos de la física.
¿Qué significa comprender la energía y su conservación?
Reconocer la energía como una propiedad de todos los sistemas. Asociar la energía
sólo a los sistemas en movimiento o con vida.
Identificar el trabajo como un proceso de transferencia de energía. Identificar el

trabajo con el esfuerzo o definición puramente operativa del trabajo.
Clasificar, inicialmente, distintas formas de energía como cinéticas o

potenciales.
Identificar las formas de energía con sus fuentes. Reconocer la energía cinética como la
asociada al movimiento.
Asociar la energía potencial gravitatoria a la posición de un objeto sobre la Tierra y

atribuirla a la interacción entre el objeto y la Tierra.
Localizar la energía potencial gravitatoria en un objeto.
Reconocer que la energía se transforma. Analizar los fenómenos en términos

perceptivos sin considerar la transformación de la energía.
Reconocer que la energía de un sistema aislado se conserva. Reconocer el consumo de

energía pero no su conservación.
Establecer las limitaciones de la conservación de la energía mecánica. Desconocer la
transformación de energía mecánica en interna.
Reconocer el calor como un mecanismo de transferencia de energía. Identificar el calor

con la temperatura.
Interpretar el primer principio de la termodinámica y reconocerlo como una

generalización de la ley de conservación de la energía mecánica.
No reconocer la degradación de la energía. Reconocer la degradación de la energía

como la transformación de energía mecánica en calor.
Identificar la transformación de energía mecánica en interna como un gasto de

energía. Utilizar la conservación de la energía en la interpretación de fenómenos de
importancia social: crisis de la energía, energías renovables.
Desconocer las relaciones CTS. Valorar las consecuencias ambientales de la producción

y consumo de la energía. Desconocer las relaciones CTSA.
Reconocer otras formas de energía: campos libres, energía en reposo y energía como
un principio unificador de toda la física.
Identificar toda la energía con cinética o potencial. Identificar el principio de

conservación de la energía como un principio de toda la física. Limitarlo a la mecánica y
la termodinámica.
En el caso de la energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de rozamientos y

sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las energías cinética y potencial
permanece constante. Este fenómeno se conoce con el nombre de Principio de
conservación de la energía mecánica.
El principio de conservación de la energía válido en todos los campos de la física se

puede enunciar diciendo que la energía total de un sistema aislado se conserva.
Por sistema aislado o cerrado entendemos aquél en que no hay intercambios o

transferencias de energía con su entorno mediante trabajo, calor, ondas mecánicas o
electromagnéticas o cualquier otro proceso de transferencia. Para determinar la
energía total hay que identificar los tipos de energía del sistema.
En general, podemos encontrarnos con energía de las partículas libres (la cinética y la
de su masa en reposo), energía de los campos libres (la energía de la radiación
electromagnética), energía de las interacciones entre partículas y campos (que es
potencial si los campos son conservativos).
Cada una de estas contribuciones a la energía total del sistema puede variar con el
tiempo transformándose en una de otro tipo, pero su suma no cambia, se conserva
La degradación de la energía debe ser tratada analizando los procesos irreversibles y la

reducción de utilidad de la energía para realizar trabajo cuando se transforma en
energía interna, cuya introducción resulta muy clarificadora.
Esto se hace por medio del análisis de fenómenos que no se producen en la naturaleza
a pesar de cumplir la primera ley de la termodinámica.
En la naturaleza un objeto que se desliza sobre una superficie acaba parándose, una
pelota que cae rebota a una altura menor, etc., pero no se observa que un objeto
pesado empiece a moverse o que una pelota rebote cada vez más alta. ¿Alguno de
estos procesos incumple la ley de conservación de la energía? Tratad de establecer la
causa de que unos procesos se realicen en la naturaleza y otros no.
La ley de la conservación de la energía:
Afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin
interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque
dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la
conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, solo
puede cambiar de una forma a otra,1 por ejemplo, cuando la energía eléctrica se
transforma en energía calorífica en un calefactor.
En termodinámica, constituye el primer principio de la termodinámica (la primera ley

de la termodinámica).
En mecánica analítica, puede demostrarse que el principio de conservación de la

energía es una consecuencia de que la dinámica de evolución de los sistemas está
regida por las mismas características en cada instante del tiempo. Eso conduce a que la
"traslación" temporal sea una simetría que deja invariante las ecuaciones de evolución
del sistema, por lo que el teorema de Noether lleva a que existe una magnitud
conservada, la energía.
Dentro de los sistemas termodinámicos, una consecuencia de la ley de conservación de

la energía es la llamada primera ley de la termodinámica, la cual establece que, al
suministrar una determinada cantidad de calor (Q) a un sistema, esta cantidad de
energía será igual a la diferencia del incremento de la energía interna del sistema (ΔU)
más el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores, o de otra manera:
Aunque la energía no se pierde, se degrada de acuerdo con la segunda ley de la
termodinámica. En un proceso irreversible, la entropía de un sistema aislado aumenta
y no es posible devolverlo al estado termodinámico físico anterior.
Así un sistema físico aislado puede cambiar su estado a otro con la misma energía pero
con dicha energía en una forma menos aprovechable. Por ejemplo, un movimiento
con fricción es un proceso irreversible por el cual se convierte energía
mecánica en energía térmica.
Esa energía térmica no puede convertirse en su totalidad en energía mecánica de

nuevo ya que, como el proceso opuesto no es espontáneo, es necesario aportar
energía extra para que se produzca en el sentido contrario.
Desde un punto de vista cotidiano, las máquinas y los procesos desarrollados por el

hombre funcionan con un rendimiento menor al 100%, lo que se traduce en pérdidas
de energía y por lo tanto también de recursos económicos o materiales.
Como se decía anteriormente, esto no debe interpretarse como un incumplimiento del

principio enunciado sino como una transformación "irremediable" de la energía.
El principio en mecánica clásica:
En mecánica lagrangiana la conservación de la energía es una consecuencia del

teorema de Noether cuando el lagrangiano no depende explícitamente del tiempo.
El teorema de Noether asegura que cuando se tiene un lagrangiano independiente del
tiempo, y por tanto, existe un grupo uniparamétrico de traslaciones temporales o
simetría, puede construirse una magnitud formada a partir del lagrangiano que
permanece constante a lo largo de la evolución temporal del sistema, esa magnitud es
conocida como hamiltoniano del sistema.
Si además, la energía cinética es una función sólo del cuadrado de las velocidades
generalizadas (o lo que es equivalente a que los vínculos en el sistema sean
esclerónomos, o sea, independientes del tiempo), puede demostrarse que el
hamiltoniano en ese caso coincide con la energía mecánica del sistema, que en tal caso
se conserva.
En mecánica newtoniana el principio de conservación de la energía, no puede
derivarse de un principio tan elegante como el teorema de Noether, pero puede
comprobarse directamente para ciertos sistemas simples de partículas en el caso de
que todas las fuerzas deriven de un potencial, el caso más simple es el de un sistema
de partículas puntuales que interactúan a distancia de modo instantáneo.
El principio en mecánica relativista:

Una primera dificultad para generalizar la ley de con servación de la energía de la
mecánica clásica a la teoría de la relatividad está en que en mecánica relativista no
podemos distinguir adecuadamente entre masa y energía. Así de acuerdo con esta
teoría, la sola presencia de una partícula material de masa m en reposo respecto de un
observador implica que dicho observador medirá una cantidad de energía asociadada
a ella dada por E = mc2.
Otro hecho experimental contrastado es que en la teoría de la relatividad no es
posible formular una ley de conservación de la masa análoga a la que existe en
mecánica clásica, ya que esta no se conserva.
Así aunque en mecánica relativista no existan leyes de conservación separadas para la
energía no asociada a la masa y para la masa, sin embargo, sí es posible formular una
ley de conservación "masa-energía" o energía total.
Dentro de la teoría de la relatividad especial, la materia puede representarse como un

conjunto de campos materiales a partir de los cuales se forma el llamado tensor de
energía-impulso total y la ley de conservación de la energía se expresa en relatividad
especial, usando el convenio de sumación de Einstein.
Conservación en presencia de campo gravitatorio:

Debido a las peculiaridades del
campo gravitatorio, tal como es
tratado dentro de esta teoría, no
existe una manera de construir
una magnitud que represente la
energía total conjunta de la
materia y el espacio-tiempo que
se conserve. La explicación
intuitiva de este hecho es que
debido a que un espacio-tiempo
puede carecer de simetría
temporal, hecho que se refleja en que no existen vectores de Killing temporales en
dicho espacio, no puede hablarse de invariancia temporal de las ecuaciones de
movimiento, al no existir un tiempo ajeno al propio tiempo coordenado del espacio-
tiempo.
Otra de las consecuencias del tratamiento que hace la teoría de la relatividad general
del espacio-tiempo es que no existe un tensor de energía-impulso bien definido.
Aunque para ciertos sistemas de coordenadas puede construirse el llamado
pseudotensor de energía-impulso, con propiedades similares a un suspensorio, pero
que sólo puede definirse en sistemas de coordenadas que cumplen ciertas
propiedades específicas.
Por otro lado, aún en la teoría de la relatividad general para cierto tipo de sistemas
muy especiales, puede construirse una magnitud asimilable a la energía total del
sistema. Un ejemplo de estos sistemas son los espacio-tiempos asintóticamente planos
caracterizados por una estructura causal peculiar y ciertas condiciones técnicas muy
restrictivas; estos sistemas son el equivalente en teoría de la relatividad de los
sistemas aislados.
Finalmente cabe señalar, que dentro de algunas teorías alternativas a la relatividad

general, como la teoría relativista de la gravitación de Logunov y Mestvirishvili, sí
puede definirse unívocamente la energía total del sistema de materia. Esta teoría es
totalmente equivalente a la teoría de la relatividad general en regiones desprovistas de
materia, y predice desviaciones de la misma sólo en regiones ocupadas por materia. En
particular la teoría de Logunov y Mestvirishvili, predice la no ocurrencia de agujeros
negros.

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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

El Principio de conservación de la energía

La conservación de la energía es uno de los conceptos más importantes de la física

¿Qué signiﬁca comprender la energía y su conservación?

Identiﬁcar el trabajo como un proceso de transferencia de energía. Identiﬁcar el

Clasiﬁcar, inicialmente, distintas formas de energía como cinéticas o

Asociar la energía potencial gravitatoria a la posición de un objeto sobre la Tierra y

Localizar la energía potencial gravitatoria en un objeto.

Reconocer que la energía se transforma. Analizar los fenómenos en términos

Reconocer que la energía de un sistema aislado se conserva. Reconocer el consumo de

Reconocer el calor como un mecanismo de transferencia de energía. Identiﬁcar el calor

Interpretar el primer principio de la termodinámica y reconocerlo como una

No reconocer la degradación de la energía. Reconocer la degradación de la energía

Identiﬁcar la transformación de energía mecánica en interna como un gasto de

Desconocer las relaciones CTS. Valorar las consecuencias ambientales de la producción

Identiﬁcar toda la energía con cinética o potencial. Identiﬁcar el principio de

En el caso de la energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de rozamientos y

El principio de conservación de la energía válido en todos los campos de la física se

Por sistema aislado o cerrado entendemos aquél en que no hay intercambios o

La degradación de la energía debe ser tratada analizando los procesos irreversibles y la

La ley de la conservación de la energía:

En termodinámica, constituye el primer principio de la termodinámica (la primera ley

En mecánica analítica, puede demostrarse que el principio de conservación de la

Dentro de los sistemas termodinámicos, una consecuencia de la ley de conservación de

Esa energía térmica no puede convertirse en su totalidad en energía mecánica de

Desde un punto de vista cotidiano, las máquinas y los procesos desarrollados por el

Como se decía anteriormente, esto no debe interpretarse como un incumplimiento del

El principio en mecánica clásica:

En mecánica lagrangiana la conservación de la energía es una consecuencia del

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Conservación en presencia de campo gravitatorio:

Finalmente cabe señalar, que dentro de algunas teorías alternativas a la relatividad

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