LA LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Su enunciado más general afirma que la cantidad total de energía existente en el Universo, es constante. Dicho fenómeno es debido a que la energía no se crea ni se destruye; solamente se transforma de unas formas a otras. Es decir: Los cambios energéticos en el Universo son de índole cualitativa, no cuantitativa.13 De otro modo, podemos decir que siempre que se "produzca" una cantidad de una clase de energía, se deberá destruir la equivalente de otra u otras clases.14 

Así pues, no puede haber consumo de energía en un sentido físico, sino que solamente puede admitirse su transformación y dispersión.16 

La Ley de la conservación de la energía es el resultado deductivo del fracaso experimental en la consecución de una máquina de movimiento continuo.16 Ahora bien, directamente no puede demostrarse la existencia de dicha ley17 que proviene de la Mecánica clásica newtoniana, cuerpo de conocimientos que representa el mundo como un ciclo de reproducción indefinida, sin orientación temporal. "Dada la posición de un cuerpo en el espacio, su dirección y velocidad, las leyes de Newton son capaces de desvelarnos dónde ha estado y a dónde se dirige. Todas las ecuaciones de movimiento son reversibles en el tiempo."18 No es necesario distinguir entre pasado y futuro.19 

La irrupción de los trabajos de EINSTEIN, padre de la Física moderna, ha modificado el ámbito de la Ley, hablándose actualmente de la Ley de la conservación de la materia y de la energía, debido a la posibilidad de convertirlas mutuamente entre sí, al menos en la pura teoría. No obstante y precisamente por esta teoricidad, la influencia indicada no modificará nuestros análisis y conclusiones sobre el asunto. 

La Ley de conservación de la energía es asumida por la Termodinámica en su primer principio. No así el segundo principio, cuya orientación es muy diferente. Estudiamos ambos a continuación.

Fundamento teórico 

Si nos centramos en la problemática de la enseñanza de la física, hay investigaciones de la década del 80 que proponen una nueva manera de tratar el trabajo de la fuerza de fricción. Se demostró entonces que no puede calcularse como el producto escalar de la fuerza de rozamiento por el desplazamiento del centro de masa y además se replantea la enseñanza de la conservación de la energía en sistemas de partículas (MUNGAN, 2007; MUNGAN, 2005; ARONS, 1999; LAWSON; McDERMOTT, 1987; SOLOMON, 1985; SHERWOOD; BERNARD, 1984). 

En la quinta edición (en inglés) del texto “Física” de Resnick; Halliday y Krane (2004), ampliamente difundido en nuestras aulas universitarias, se presenta el tema energía tomando estos resultados y organizándolos para ser utilizados por docentes y estudiantes. 

Uno de los aspectos fundamentales de esta propuesta es seleccionar claramente la frontera del sistema en estudio lo que permite determinar cuáles son las fuerzas internas y externas. Si el sistema no puede considerarse como una partícula o un cuerpo rígido, es necesario plantear lo que ocurre con el centro de masa del sistema y cómo los cambios de forma y los movimientos internos deben ser tenidos en cuenta en el análisis de la conservación de la energía. Esto se aplica también a los sistemas donde actúan fuerzas de rozamiento, ya que corresponde a movimientos microscópicos de las moléculas que se encuentran sobre las superficies. 

Para los sistemas mencionados anteriormente se clasifica la energía del sistema en tres clases: potencial, cinética e interna. Esta energía interna también es potencial o cinética pero es, o bien de origen microscópico o macroscópico debido a las interacciones y movimiento de las distintas partes que forman el sistema que resultan difíciles de expresar en forma exacta. 

El análisis de este tipo de sistemas, se lleva a cabo planteando dos ecuaciones:

1. La ecuación de energía del centro de masa (CDM), que surge de la segunda ley de Newton. Si se tiene un sistema de N partículas las fuerzas sobre la partícula i-ésima es:

Estas expresiones se parecen al teorema del trabajo y la energía cinética. Es importante señalar que aunque el primer miembro se asemeja al trabajo (W), no lo es, porque dxCM y sCM no representan el desplazamiento del punto de aplicación de la fuerza externa, sino el desplazamiento del centro de masa (CM) y la ΔKCM del segundo miembro se refiere sólo a la energía cinética traslacional del CM. El desplazamiento del centro de masa no representa los desplazamientos individuales de las partículas. 

Algunos autores lo llaman “seudotrabajo” o “trabajo de las fuerzas externas aplicadas en el CM”.

donde K es la energía cinética asociada al movimiento total (traslacional y/o rotacional) de los cuerpos del sistema, U es la energía potencial relacionada con las fuerzas conservativas entre los cuerpos del sistema, Eint = K int. + Uint. es la energía interna del sistema y Q es la transferencia de energía al sistema debido a la diferencia de temperatura.

La ecuación (5) es la formulación más general que podemos hacer sobre la conservación de la energía en un sistema. Se conoce como Primera Ley de la Termodinámica. 

Si bien en el texto de Resnick (2004) se resuelven algunas situaciones con aplicación de las ecuaciones (CDM) y (CDE), consideramos útil redactar y ofrecer más ejemplos a nuestros estudiantes. 

Por lo expuesto, los autores del presente trabajo reformularon y pusieron en práctica un problema incluido en el texto de Serway y Jewet (2004). Se agrego otra situación para analizar y se han modificado los datos con el propósito de acercarlo a la realidad. Se propone una solución aplicando consideraciones energéticas.

EJEMPLO

La conservación de la energía mecánica establece que en un sistema libre de fricciones su cantidad de energía mecánica no cambia en el tiempo. Es decir, la suma de energía potencial y cinética de un sistema permanece igual a diferentes tiempos.

Por ejemplo, cuando un niño en un columpio llega a lo más alto, su energía potencial es máxima, pero su energía cinética es cero porque se detiene momentáneamente.

A medida que el columpio baja, adquiere velocidad por lo que aumenta su energía cinética. Pero la altura disminuye, por lo que la energía potencial llega a cero. Sin embargo, en cualquier momento que midamos la energía mecánica del columpio, esta va a ser la misma.

REFERENCIAS

13 Estas ideas pueden considerarse muy compartidas, pues son muchos los autores que están de acuerdo con ellas. Ver, entre otros: COMMONER, B.: Op. cit. Pg. 24. GLASSTONE, S.: Op. cit. Pg. 43. HELLMAN, H.: Op. cit., Pg. 31. FOLEY, G.: Op. cit., Pg. 69. LABEYRIE, V.: Op. cit., Pg. 117. CHANG, S.S.L: Conversión de lënergie. Ed. Dunod. París. 1.966. Pg. 12 y s. HEINZ, R.: Energy Trends in the Eighties. En: "Business Horizons". Vol 24. N° 1. Enero-Febrero 1.981. Pg. 33. SCHIPPER, L.: Raising the Productivity of Energy Utilization. En: "Annual Review of Energy". Hollander & Simmons, Editors. Vol 1, 1.976. Pg. 457.

14 AGUIRRE, F.: Op. cit., Pg. 43. 

15 LABEYRIE, V.: Op. cit., Pg. 117. 

16 GLASSTONE, S.: Op. cit., Pg. 43. 

17 CHANG, S.S.L.: Op. cit., Pg. 13. LUCINI comenta que en realidad se postula la validez "a priori" de los principios de la Termodinámica. No son demostrables como no lo son otros tantos principios físicos. (Op. cit., pg. 11). Lo que se sabe es que no existen experiencias contrarias a dichos principios, por lo que no se han falsabilizado. 

18 COMMONER, B.: Op. cit., Pg. 20. 

19 KITTEL, C.: Física térmica. Ed. Reverte, Barcelona. 1.973. Pg. 71.