Ley de la conservación de la energía

La ley de conservación de la energía es una ley que establece el Primer principio de la termodinámica. El principio menciona que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma en otra forma de energía. De este modo, en un sistema cerrado, el sistema siempre tiene la misma cantidad de energía, salvo que se haya añadido otra fuente desde el exterior.

Para determinar la energía en un sistema, se utiliza esta ecuación:

En la misma, llamamos Ut a la energía total del sistema, Ui a la energía inicial, W al trabajo realizado por o sobre el sistema y a Q al calor que se añade o se elimina del mismo. Básicamente, la energía interna de un sistema cambia cuando se le agrega calor o se le realiza trabajo. Es una idea fundamental en física y en ingeniería térmica.

De ese modo, al suministrar una cantidad determinada de calor (Q) a un sistema físico, su cantidad total de energía podrá calcularse como el calor suministrado menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores. Expresado en una fórmula: ΔU = Q – W. Esto lo explicaremos detalladamente más adelante.

Hay multitud de ejemplos del funcionamiento de esta ley. Por ejemplo, las resistencias transforman la electricidad en calor y las bombillas transforman esta misma energía eléctrica en energía luminosa. En otros casos, si un objeto cae, la energía potencial se transforma en energía cinética.

Sin embargo, es importante considerar también el Segundo Principio de la Termodinámica, que señala cómo la energía se degrada debido a la entropía, resultando también en una transformación de energía. Este principio implica que, aunque la cantidad total de energía se conserve, la calidad de esta energía puede disminuir con el tiempo, haciéndola menos útil para realizar trabajo.

¿Cómo se conserva la energía eléctrica?

Como hemos visto, la energía se transforma y eso puede dar lugar a una pérdida de energía eléctrica. Por ejemplo, los cables de los conductores eléctricos actúan como resistencia, transformando la electricidad en energía térmica por el efecto Joule, el cual se une a una ligera pérdida al transformarse en energía electromagnética por radiación.

¿Es posible conservar la energía eléctrica? Aunque no se puede evitar del todo, sí que se pueden minimizar las pérdidas. En el caso del transporte de electricidad, se aumenta la tensión de la misma al ser transportada, ya que se reduce la intensidad al ser inversamente proporcionales. Como la potencia disipada en forma de calor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad, al bajarla también se reducen las pérdidas.

Además, la mejora de los conductores, utilizando cables con menor resistencia y la búsqueda de aparatos con mayor eficiencia energética, también ayudan a reducir las pérdidas. Por otro lado, existen sistemas de generación cada vez más eficientes, capaces de aprovechar la energía que se transforma. Por ejemplo, en una fábrica se puede aprovechar el calor residual para alimentar una turbina y generar energía.

¿Quién creó la ley de la conservación de la energía?

La ley de la conservación de la energía fue descubierta a mediados del siglo XIX, específicamente en 1842 gracias en primer lugar a los trabajos del físico y médico alemán Julius Robert von Mayer. Se reconocen también los aportes de James Joule a partir de 1843, y Hermann von Helmholtz a partir de 1847.

James Prescott Joule fue un físico inglés autodidacta que revolucionó su campo cuando demostró de forma experimental que el calor y el trabajo mecánico son formas equivalentes de energía. Su trabajo sentó las bases de la termodinámica moderna y dio lugar a que la unidad de energía en el Sistema Internacional que se denomina ‘joule’ en su honor, ‘julio’ (J) en español.

Hay que decir que el concepto de conservación de la energía fue explorado por varios científicos, como Julius Robert von Mayer y Hermann von Helmholtz, aunque fue Joule quien realizó experimentos más importantes para cuantificar la relación entre trabajo y calor.

Con su experimento del ‘aparato de Joule’, demostró que la energía potencial gravitatoria perdida por un peso descendente hacía girar una paleta sumergida en agua, transformándola en energía térmica que elevaba la temperatura del agua.

Fórmula de la ley de la conservación de la energía

La ley de la conservación de la energía determina que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, lo que significa que, en un sistema aislado, la cantidad total de energía permanece constante aunque cambie de una forma a otra.

¿Y cómo se representa esto en una única fórmula? Pues, ahora que lo sabemos, de forma tan sencilla como la siguiente:

ΔU = Q - W

• ΔU es el cambio en la energía interna del sistema.
• Q es el calor añadido al sistema.
• W es el trabajo realizado por el sistema.

Esta ecuación es la que indica que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al calor que recibe menos el trabajo que realiza.

Por ejemplo, si calentamos un gas en un recipiente cerrado, parte de ese calor aumentará la energía interna del gas (ΔU), mientras que otra se utilizará para realizar trabajo (W), como por ejemplo empujar un émbolo, ¡un balance energético fundamental para comprender cómo funcionan los procesos físicos y químicos en la naturaleza y la tecnología!