¿Qué es energía? ¿De dónde vino?

La energía es cualquier cantidad -un número con las unidades apropiadas (en el sistema SI, julios)- que se conserva como resultado de que las leyes de la física no dependen del momento en que ocurren los fenómenos, es decir, como consecuencia de la simetría traslacional del tiempo. Esta definición, ligada al teorema fundamental de Emmy Noether , es la más universal entre las definiciones precisas del concepto de energía.

¿Qué es el "algo"? Se puede decir que es un número con unidades, una cantidad dimensional. No puedo decirte que la energía es una papa u otro objeto material porque no lo es (aunque, cuando se almacena en la gasolina o cualquier material "fijo", la cantidad de energía es proporcional a la cantidad del material). Sin embargo, cuando defino algo como un número , en realidad es una definición mucho más precisa y rigurosa que cualquier definición que incluya papas. Los números son mucho más definidos y rigurosos que las papas, por lo que toda la física se basa en las matemáticas y no en cocinar papas.

Hace siglos, antes de que la gente apreciara el papel fundamental de las matemáticas en la física, creían, por ejemplo, que el calor, una forma de energía, era un material llamado flogisto . Pero, hace mucho tiempo, se hicieron experimentos para demostrar que tal imagen no era válida. de einstein$E=mc^2$revivió en parte la idea: la energía es equivalente a la masa, pero incluso la masa en esta fórmula debe verse como un número en lugar de algo que está hecho de piezas que se pueden "tocar".

La energía tiene muchas formas, términos que contribuyen a la energía total, que son más "concretas" que el concepto mismo de energía. Pero la fuerza misma del concepto de energía es que es universal y no concreto: uno puede convertir la energía de una forma a otra. Esta multiplicidad de formas no hace que el concepto de energía quede mal definido en ningún sentido.

Debido a la relación de la energía con el tiempo anterior, la definición abstracta de energía, el hamiltoniano, es un concepto que sabe todo sobre la evolución del sistema físico en el tiempo (cualquier sistema físico). Este hecho es particularmente obvio en el caso de la mecánica cuántica donde el hamiltoniano entra en las ecuaciones de movimiento de Schrödinger o Heisenberg, siendo igualado a una derivada temporal del estado (u operadores).

La energía total se conserva pero es útil porque a pesar de la conservación del número total, la energía puede tener muchas formas, según el contexto. La energía es útil y nos permite decir algo sobre el estado final desde el estado inicial incluso sin resolver el problema exacto de cómo se ve el sistema en cualquier momento intermedio.

El trabajo es simplemente un proceso en el que la energía se transforma de una forma (por ejemplo, energía almacenada en azúcares y grasas en los músculos) a otra forma (la energía potencial de los muebles cuando se llevan al octavo piso por la escalera). Es entonces cuando "trabajo" se entiende como un concepto cualitativo. Cuando es un concepto cuantitativo, es la cantidad de energía que se transformó de una forma a otra; en aplicaciones prácticas, por lo general queremos decir que se transformó de músculos o la red eléctrica o una batería u otro "almacenamiento" a una forma de energía que es "útil" - pero, por supuesto, estas etiquetas de ser "útil" no son una parte de la física, son parte de la ingeniería o aplicaciones (nuestras valoraciones subjetivas).

No creo que la respuesta sea trivialmente simple. Intentaré dar una explicación. En muchos problemas de física, lo que te dan son los estados inicial y final del sistema. No sabes (o tal vez nadie lo sabe) lo que sucede entre estos dos estados. Ahora bien, hay cantidades que puedes medir antes y después de que el sistema haya sufrido este cambio de estado. La pregunta es ¿puedes predecir algunas de estas cantidades conociendo las otras? Recuerde que no conocemos el mecanismo por el cual el sistema se mueve de estos dos estados. Pero si tienes algo conocido como ley de conservación, el problema se vuelve simple. (Al decir que una cantidad se conserva queremos decir que no cambia a lo largo de algún proceso). Suponga que tiene alguna función mágica que involucra las cantidades, que da el mismo valor sin importar cuál sea el estado del sistema, entonces ya está. El valor de la función lo llamamos energía. Y como su valor no cambia entre estos dos estados decimos que se conserva.

Este extracto es de Feynman Lectures:

Existe un hecho, o si se quiere, una ley, que rige todos los fenómenos naturales que se conocen hasta la fecha. No se conoce ninguna excepción a esta ley; hasta donde sabemos, es exacta. La ley se llama la conservación de la energía. Afirma que hay una cierta cantidad, que llamamos energía, que no cambia en los múltiples cambios que sufre la naturaleza. Esa es una idea muy abstracta, porque es un principio matemático; dice que hay una cantidad numérica que no cambia cuando algo sucede. No es una descripción de un mecanismo, ni nada concreto; es solo un hecho extraño que podamos calcular algún número y cuando terminamos de ver a la naturaleza pasar por sus trucos y calcular el número nuevamente, es lo mismo. (Algo así como el alfil en un cuadrado rojo, y después de varios movimientos, detalles desconocidos, todavía está en algún cuadrado rojo. Es una ley de esta naturaleza).

Para entender qué es la energía, es necesario entender el concepto de trabajo.

El trabajo se define como la acción de una fuerza sobre una trayectoria.

¿Qué significa esto? Describe cómo es "ejercer" o "drenar" una acción en particular. Por ejemplo, imagine levantar una bolsa de compras de masa$10\ \mathrm{kg}$verticalmente por$1\ \mathrm m$. Esto requiere trabajo, y exactamente la siguiente cantidad, dada por el peso de la bolsa por la distancia.

La energía se define clásicamente como la capacidad de un sistema físico para realizar un trabajo, o en otras palabras: a medida que realiza un trabajo, intercambia energía por algún efecto físico al realizar el trabajo. O, en otros términos, al ejercer una fuerza a lo largo de una distancia conviertes la energía en trabajo.

En nuestro ejemplo, necesita usar algún tipo de energía para levantar la bolsa de compras. La cantidad que necesita es exactamente la cantidad de trabajo que calculamos.

¿Qué sucede con este trabajo? Se convierte nuevamente en energía, en energía potencial gravitacional:

o

que es la definición clásica de energía potencial gravitatoria.

Entonces, en la práctica, nunca vemos ni medimos la energía directamente. Cuando la energía cambia de forma, se llama trabajo, que podemos medir. Entonces, el trabajo, en cierto modo, es un concepto de "transporte" de energía. La energía, por otro lado, es como un "depósito" de trabajo en potencial.

¿Por qué la energía es una cantidad útil? Después de todo, el trabajo parece ser una cantidad más "fundamental" desde un punto de vista experimental.

La respuesta a esto se encuentra en la ley de conservación de la energía. El trabajo en sí mismo describe un cambio en la energía, por lo que no es una cantidad conservada en sí misma a menos que lo integres en el concepto más general de energía, que se conserva.

De hecho, podemos derivar grandes extensiones de la mecánica clásica utilizando la conservación de la energía como principio principal, junto con el principio de acción mínima.

Advertencias

En teorías más avanzadas, la conservación de la energía es un asunto mucho más complicado y no se aplica tan simplemente como en el sentido clásico. Por ejemplo, en SR, la energía se puede convertir en masa aparente y viceversa.

También hay propiedades matemáticas muy interesantes de la energía potencial y su relación con las fuerzas y especialmente con los campos de fuerzas. Estas explicaciones, aunque son mucho más abstractas y matemáticas, supongo que desea una explicación intuitiva e instintiva de qué es la energía.

Si está buscando lo primero, consulte esta pregunta .

La energía es una forma conveniente de dar cuenta de la capacidad de un sistema para realizar un trabajo útil. Hay ciertas calificaciones modernas que asignamos a la energía, principalmente que la energía total de un sistema cerrado siempre se conserva (salvo efectos cosmológicos), lo que ahora se explica mediante el uso de la simetría y el teorema de Noether (como se explica en los comentarios de otros).

Para intentar llegar a una noción cotidiana más satisfactoria de la energía, lo mejor es recurrir al concepto de trabajo útil y la contabilización del mismo. Entendemos que ejercemos esfuerzo (fuerza sobre una distancia) al levantar un objeto del suelo a la parte superior de una mesa. Para la contabilidad práctica, necesitamos entender cuánto esfuerzo se gastó. Fueron estos tipos de problemas contables los que llevaron a los primeros ingenieros al concepto de energía.

La energía es útil para nosotros solo si tiene la capacidad de cambiar su forma actual a otra forma. Una forma en que la energía puede cambiar es comenzar con energía potencial y convertirla en energía cinética. Por ejemplo, considere la energía estática almacenada en los enlaces de carbono e hidrógeno en un galón de gasolina. Esa energía de enlace puede liberarse y convertirse en energía cinética útil, como la que provoca el movimiento relativo de un automóvil. La energía también puede cambiar de energía cinética a energía potencial y realizar un trabajo útil. Considere una pelota rodando sobre una mesa; tiene energía cinética. Si la bola choca con un resorte, lo comprime y un pestillo la atrapa, la bola perderá su energía cinética y el resorte ganará energía potencial.

Si la energía está en una forma que no nos sirve, entonces la medimos en términos de entropía . En un sistema cerrado, hay un valor máximo posible de entropía asociado con él. Si la entropía de un sistema es más baja que su entropía máxima, entonces ese sistema "no está en equilibrio" y todavía tiene energía interna utilizable. Esto significa que se puede realizar trabajo dentro del sistema para aumentar la multiplicidad de estados (lo que comúnmente se interpreta como desorden), convirtiendo esa energía potencial en energía cinética interna a sí mismo.

En términos cotidianos, solo pensamos en la energía en términos del trabajo útil que se puede derivar de ella . Entonces, cuando hablamos de vender energía en un mercado energético, lo que se comercializa es una mercancía que se puede usar para hacer trabajo. Hay diferentes formas de almacenar energía, pero cuando compramos una cierta cantidad de energía, esperamos que nos permita realizar ciertas tareas de una manera predecible.

Esta es una discusión algo simplificada. Hay mucho más que se puede agregar y se necesitan varias aclaraciones. No conozco su nivel de comprensión, así que he abreviado mi explicación.

Wow, esta va a ser una respuesta arriesgada. Sin embargo, creo que puede estar buscando una respuesta que sea más conceptual que matemática o filosófica, así que aquí va:

La energía es cambio. Es decir, la energía está presente si observamos que las relaciones entre los objetos y los campos cambian de algún modo de un momento a otro.

La energía térmica es solo una versión muy detallada del cambio, expresada en el movimiento de muchas moléculas cuyo movimiento promedio es insignificante.

La energía potencial es la posibilidad de un cambio futuro. Requiere la idea adicional de que el cambio puede ser absorbido por algún tipo de capacidad similar a un resorte, almacenado durante un período de tiempo y luego liberado nuevamente en el futuro como un cambio explícito.

Este efecto de almacenamiento similar a un resorte siempre parece reducirse a alguna forma de estirar o comprimir los campos en formas en las que no quieren ir. Por lo tanto, dar cuerda a un reloj de pie de estilo antiguo con una llave captura un cambio explícito (da cuerda) en forma de tensiones interesantes en los enlaces que mantienen unidos a los átomos de metal. Para la energía nuclear, los campos son diferentes, pero el concepto de estirarlos o comprimirlos de formas interesantes sigue siendo prácticamente el mismo.

Finalmente, dentro de la idea de energía potencial se encuentra una pista importante sobre la relación entre energía y masa. La masa es, en un sentido bastante real, la última forma de energía potencial. En materia, la energía del pasado está tan bien protegida de la liberación que se necesita una llave extraordinaria, específicamente una cantidad y tipo iguales de antimateria, para desenrollarla completamente y liberar toda su energía. Para la materia, son las diversas reglas inquebrantables de conservación, como la conservación de la carga, las que mantienen esta energía atada e indisponible. Pero si aparece alguna antimateria que cancela el bloqueo, ¡cuidado!

Los fotones, los cuantos en constante movimiento de los campos electromagnéticos cambiantes, se acercan a ser la forma de energía más pura posible, con algunas sutilezas que no mencionaré aquí. Entonces, no es sorprendente que los fotones sean la mayoría de lo que se libera cuando la materia y la antimateria cancelan los bloqueos de la otra.

Con eso, debo enfatizar nuevamente que esto no pretende ser una respuesta matemática o filosófica. Todo lo que estoy tratando de transmitir es que la energía tiene que ver con el cambio. Puede ser un cambio continuo, como cuando los objetos se mueven en grandes formas unidireccionales (cinéticas) o formas microscópicas multidireccionales (calor), o puede ser un cambio potencial. Este último es un cambio que fue capturado y guardado en algún momento del pasado mediante campos de estrés. La forma más extrema de energía potencial, aquella en la que la liberación de la energía está salvaguardada por profundas leyes de conservación, es lo que llamamos materia.

La energía es solo una cantidad numérica que nunca cambia cuando la naturaleza cambia su curso. Siendo una idea abstracta puede ser ilustrada por una analogía. Y quién puede hacerte disfrutar de esto más que el Sr. Feynman. En sus conferencias, Feynman dio una analogía extraordinaria a esto:

Imagine a un niño Dennis que tiene bloques que son absolutamente indestructibles y no se pueden dividir en pedazos. Cada uno es igual al otro. Supongamos que tiene 28 bloques. Su madre lo mete con sus 28 bloques en una habitación al comienzo del día. Al final del día, siendo curiosa, cuenta los bloques con mucho cuidado y descubre una ley fenomenal: no importa lo que él haga con los bloques, ¡siempre quedan 28! Esto continúa durante varios días, hasta que un día solo hay 27 bloques, pero un poco de investigación muestra que hay uno debajo de la alfombra: debe mirar por todas partes para asegurarse de que la cantidad de bloques no haya cambiado. Sin embargo, un día, el número parece cambiar: solo hay 26 bloques. Una investigación cuidadosa indica que la ventana estaba abierta y, al mirar hacia afuera, se encuentran los otros dos bloques. Otro día, ¡Un conteo cuidadoso indica que hay 30 bloques! Esto causa una consternación considerable, hasta que se da cuenta de que Bruce vino de visita, trajo sus bloques y dejó algunos en la casa de Dennis. Después de deshacerse de los bloques extra, cierra la ventana, no deja entrar a Bruce y luego todo va bien, hasta que una vez cuenta y encuentra solo 25 bloques. Sin embargo, hay una caja en la habitación, una caja de juguetes, y la madre va a abrir la caja de juguetes, pero el niño dice "No, no abras mi caja de juguetes" y grita. A la madre no se le permite abrir la caja de juguetes. Siendo extremadamente curiosa y algo ingeniosa, ¡inventa un plan! Ella sabe que un bloque pesa tres onzas, entonces pesa la caja en un momento en que ve 28 bloques y pesa 16 onzas. La próxima vez que desee comprobar, vuelve a pesar la caja, resta dieciséis onzas y divide por tres. Ella descubre lo siguiente:

En el aumento gradual de la complejidad de su mundo, encuentra toda una serie de términos que representan formas de calcular cuántos bloques hay en lugares donde no puede mirar. Como resultado, encuentra una fórmula compleja, una cantidad que debe calcularse, que siempre permanece igual en su situación.

Debido a la analogía anterior, se está abstrayendo que la energía es tal manifestación de un número que tiene una gran cantidad de formas diferentes pero que nunca cambiará excepto para entrar y salir...

Bueno, la energía es solo una parte de algo más que es mucho más importante, y eso se llama "Acción". Hay una pegatina para el parachoques que dice "La física es donde está la acción". Una de las cantidades más importantes del universo es la constante de Planck y tiene unidades de acción. (julio seg). El universo está diseñado de tal manera que no importa cómo se muevan las cosas o cambien su estructura, los cambios de acción representan la eficiencia de ese cambio. O para decirlo mejor, las probabilidades de que las cosas sucedan o existan se pueden averiguar contabilizando esta cantidad llamada "Acción". Del principio de mínima acción podemos derivar leyes de conservación para cantidades reconocibles como energía, cantidad de movimiento y cantidad de movimiento angular, es una consecuencia de las simetrías involucradas en el principio de acción.

Ahora sabemos que de estos diversos tipos de cantidades conservadas, la energía se relaciona con la aplicación de la fuerza (el querido Sir Isaac Newton se dio cuenta de eso) y, por lo tanto, lo bueno de la energía es que se puede almacenar dentro de las estructuras organizando un fuerza para ser almacenada. Y así tenemos comida y combustible. y química Y evolución.

Sin embargo, los químicos no suelen usar la energía directamente en los cálculos, también usan una especie de principio de minimización que involucra tanto la energía como otra cantidad útil llamada entropía, que es una medida de la cantidad de libertad de elección que permitimos que tenga la energía: esta medida Se llama la "Energía libre" y esta es la que permite calcular exactamente qué reacciones químicas van a ocurrir y en qué medida. Y así continúa. Esta energía libre no se conserva, el universo se detiene como un gran resorte de relojería.

El big bang (si crees en eso) es simplemente un estado anterior cuando la densidad de energía era muy alta. No significa necesariamente que el universo fuera un solo agujero negro de tamaño finito. La mecánica cuántica también nos dice que hay un estado fundamental para casi todo, incluido el espacio-tiempo, por lo que si hay un vacío, hay un estado fundamental de energía. Sin embargo, generalmente no vale la pena intentar crear una máquina de movimiento perpetuo a partir del vacío, a pesar de las legendarias páginas de videos de Youtube.

Una cosa que la energía no es, es una especie de fluido cósmico. Es solo una perspectiva de cómo puede ocurrir el cambio: la teoría de la relatividad de Einstein nos enseña que cualquier tipo de fluido cósmico, incluidos los fluidos de iluminación espiritual, es imposible.

Causa efecto significa que ha ocurrido algo asimétrico. La asimetría está íntimamente asociada a la idea de información, el problema de transferir información requiere que exista un desplazamiento neto en el espacio y el tiempo. Las restricciones sobre la transferencia de información son las mismas que las de la transferencia de energía, ¡y encontramos que el movimiento de energía de repente se convierte en el movimiento de bits! Entonces el conocimiento, la energía y el tiempo y el espacio deben ser considerados en la misma imagen.

En primer lugar, la conexión entre la energía y el tiempo es muy profunda. No entendemos el tiempo completamente, pero sabemos que nuestro sentido del tiempo real requiere que haya una sucesión significativa de diferentes estados, quitando los relojes, el tiempo literalmente pierde su significado en tal contexto. Para la energía pura, todos los días son el día de la marmota: hay un período intrínseco asociado con los estados de energía, pero no hay sentido de sucesión.

¿Cómo entra en escena el tiempo "real"? Sabemos que existe una oportunidad en el espacio-tiempo para intervalos "temporales" entre eventos, en esta zona se puede establecer una sucesión de eventos que pueden mantener una relación causa-efecto en todos los marcos de referencia. Pero eso no nos da el reloj en sí. Los sistemas también se enredan al crear un orden de tiempo, pero todo esto no está claro.

El resultado es que así como hay un costo de energía para hacer las cosas en el mundo, también hay un "costo" para que los sistemas existan incluso en el mundo que conocemos: los aspectos de ese mundo deben ser incognoscibles. Lo contrario también es cierto, si nos encontramos con un sistema que es inestable y puede estabilizarse liberando energía específica, entonces la especificidad de esa energía significa que el momento en que ocurrirá el evento es incognoscible. Simplemente no podemos considerar un concepto como energía de forma aislada, sin comprender la naturaleza de conceptos como conocimiento y tiempo. Es un paquete.

Finalmente los sistemas abiertos a través de los cuales los flujos de energía son más capaces de mantener los relojes y establecer un orden en el tiempo, por lo que la vida es un fenómeno asociado a los flujos de energía inestables.

La explicación más simple que conozco de por qué el tiempo corre en una dirección es que los eventos en la dirección inversa son "no observables". Sé que suena como una tautología, pero si muestra por qué no son observables, tendrá una mejor explicación. Así mismo la energía observable positiva podría tener en su contraparte negativa una razón por la cual es inobservable, pero ahora realmente no estoy calificado para comentar, ya he excedido mis límites.

Cualquier concepto en física (energía, masa, entropía) está explícitamente definido por el conjunto de relaciones matemáticas para el concepto. Cualquier definición lingüística de un concepto es un intento de proporcionar una comprensión física del concepto. Por ejemplo, para fuerza, una definición lingüística es "Una descripción de una interacción que provoca un cambio en el movimiento de un objeto". Para mí, esa definición no es útil a menos que comprenda la definición matemática definida como F = ma y cómo se usa en las aplicaciones.

Para un concepto amplio como el de energía, la definición lingüística necesariamente debe ser bastante vaga, y para comprender dicha definición es necesario comprender las relaciones matemáticas de la energía y su uso en las aplicaciones.

Para una comprensión básica de la energía, me gusta la definición simple de energía establecida en un viejo libro de texto de termodinámica de ingeniería. “La energía es la capacidad, ya sea latente o aparente, de ejercer una fuerza a lo largo de una distancia”. Obert y Young, Elementos de Termodinámica y Transferencia de Calor. Para un sistema definido en termodinámica básica, consideramos la energía interna, la energía que entra/sale del sistema debido al trabajo y/o calor, y la energía que entra/sale del sistema debido a la transferencia de masa. [La energía interna a veces se denomina "calor", pero esto es técnicamente incorrecto desde el punto de vista de la termodinámica. El calor es energía que cruza la frontera de un sistema, sin transferencia de masa, únicamente debido a una diferencia de temperatura.

Con el tiempo, el concepto de energía se ha ampliado para incluir la energía de masa en reposo, la energía de campo, etc., para preservar el concepto de conservación de la energía. Entonces, nuevamente, el concepto lingüístico tiene que ser muy amplio/vago para acomodar tales consideraciones.

Espero que esto ayude.

¿Qué es energía?
La energía es la capacidad de un sistema para realizar un trabajo.

¿De dónde viene?
Por lo general, proviene de otra fuente de energía, ya que la energía se convierte de una forma a otra .

¿De dónde viene en última instancia ?
Que mi amigo es una pregunta para MetaPhysics .stackexchange.com, que lamentablemente no existe a partir de ahora. Es posible que desee saltar a Area51 con una propuesta.