- Sumario
- La Energía en las Ciencias
Físicas - Magnitudes
Físicas - Energía y
Pseudociencia - Conclusiones
- Referencias
Existe una gran diferencia entre lo que se considera
"energía" en el habla popular y el significado que se le
atribuye en las ciencias
físicas. Contrariamente a lo que ocurre en el campo de las
ciencias, en lo popular el concepto "energía" usualmente
no está asociado a alguna magnitud. Desde el punto de
vista de la de las ciencias físicas, la noción
intuitiva y popular es incompleta y totalmente inaceptable, pues
falta incluir un aspecto esencial para la actividad
científica: el cómo se mide esa
energía. En lo que sigue se analiza brevemente la evolución reciente del concepto
"energía" en las ciencias físicas y su
relación con otras magnitudes físicas y con las
mediciones. Esta última dependencia resulta ser primordial
para la correcta comprensión del concepto; se muestran
ejemplos de cómo el obviar esta relación conduce
usualmente a serios errores. De ahí que se recomiende
extremo cuidado al analizar la posible introducción en los cursos de definiciones
simplificadas o "novedosas" de las magnitudes
físicas.
Existe una doble acepción del término
energía; se puede utilizar tanto para: a) designar un tipo
específico de energía (cinética,
magnética) como para: b) indicar el lugar de donde
provienen o se almacenan los diferentes tipos de energía
(eólica, solar). En las ciencias físicas no tiene
mucho sentido hablar de "energía" a secas, término
que, aislado de algún otro que especifique el tipo de
energía, no es una magnitud mensurable y carece de una
definición concluyente.
Otros conceptos o términos que aparecen
usualmente en la literatura no
científica como energía vital,
energía piramidal o energía
biocósmica carecen de significado real y sólo
se utilizan para tratar de dar credibilidad a supuestos
resultados pseudocientíficos.
Existe una gran diferencia entre lo que se considera
"energía" en el habla popular y el significado que se le
atribuye en las ciencias físicas. En lo popular,
"energía" es prácticamente una noción
intuitiva. Así, se acostumbra decir que determinada
persona "es
muy enérgica" o "tiene mucha energía" para expresar
que es muy activa, que es capaz de trabajar continuamente o que
puede realizar un gran número de tareas durante una
jornada sin que padezca los efectos del cansancio (al menos
aparentemente). Por otra parte, cuando alguien se esfuerza con
tenacidad en alguna labor difícil, complicada y poco
productiva, pensamos que está "gastando inútilmente
sus energías".
Sin embargo, desde el punto de vista de la de las
ciencias físicas, esta noción intuitiva es
incompleta y totalmente inaceptable, pues falta incluir un
aspecto esencial para la actividad científica: el
cómo se mide esa energía.
A continuación se hace un breve análisis de la evolución reciente
del concepto "energía" en las ciencias físicas y su
relación con otras magnitudes y con las mediciones. Aunque
muchas veces durante el proceso de
enseñanza–aprendizaje se
obvia el tema de las mediciones, veremos que el
conocimiento de este tema resulta ser primordial para la
correcta comprensión del concepto energía. Obviar
la relación entre energía, magnitud y medición usualmente conduce a serios
errores conceptuales.
Y con relación a la importancia de las mediciones
en la ciencia,
vale la pena recordar las palabras de William Thomson (Lord
Kelvin), uno de los padres de la Termodinámica moderna: "Suelo repetir con
frecuencia que sólo cuando es posible medir y expresar en
forma numérica la materia de que
se habla, se sabe algo acerca de ella; nuestro saber será
deficiente e insatisfactorio mientras no seamos capaces de
traducirlo en números. En otro caso, y sea cual fuere el
tema de que se trate, quizá nos hallemos en el umbral del
conocimiento,
pero nuestros conceptos apenas habrán alcanzado el nivel
de ciencia"
.
Algunas de las ideas expuestas en este artículo,
necesarias para la unidad del tema y la fácil
comprensión del lector, ya han sido analizadas previamente
con cierta profundidad al censurar la divulgación de
falsos conceptos energéticos en los medios masivos
de comunicación.
La Energía en
las Ciencias Físicas
En forma similar a como ocurre con otros muchos
conceptos y definiciones en la ciencia, el concepto
"energía" ha ido evolucionando, ampliándose y
perfeccionándose con el transcurso de los años. Si
en los textos de hace 50 años era posible encontrar en los
libros de
texto
definiciones tales como: "la energía de un cuerpo puede
ser definida, en sentido amplio, como su capacidad para hacer
trabajo" , hoy día muchos consideran que ésta
definición es inexacta, al menos por dos
razones.
En primer lugar, muchos autores modernos dedicados a
temas termodinámicos consideran trabajo y
calor como
formas de transmisión de la energía, y
el trabajo
queda definido como energía en tránsito . Si
se combinan los criterios "energía = capacidad para hacer
trabajo" y "trabajo = energía en tránsito"
quedaría que la energía es algo así como "su
capacidad de transmitirse", lo que carece de utilidad
práctica por su excesiva generalidad.
En segundo lugar, los cuerpos o sistemas siempre
tienen energía, aún cuando esa energía
haya perdido su capacidad para realizar trabajo. Veamos esto
último más detalladamente.
La energía se puede degradar (perder la
capacidad de transmitirse en forma de trabajo útil) aunque
durante el proceso no hayan existido pérdidas de
energía. La medida de la degradación de la
energía viene dada por el incremento de la
entropía, otra propiedad
termodinámica de los sistemas muy bien conocida y
estudiada, aunque mucho menos popularizada que el concepto de
energía. Sin embargo, no es necesario conocer las
particularidades de la función
entropía ni poseer un entrenamiento
especializado en Termodinámica para comprender el
significado de la degradación de la energía. Para
ello considere el siguiente ejemplo.
La energía almacenada en un gramo de combustible
puede hacer girar las ruedas y mover un vehículo varios
metros al combustionar, lo que equivale a transmitirse en forma
de trabajo útil. Durante la combustión también se produce cierta
transferencia de energía en forma de calor, que eleva la
temperatura de
las piezas internas del motor (incremento
de energía térmica). La suma de las
energías que aparecen en forma de: movimiento +
energía térmica + energía de los residuos de
la combustión es exactamente la misma que estaba
almacenada en el combustible (principio de conservación de
la energía). Eventualmente, la energía que
adquirió el vehículo en movimiento también
se transformará en energía térmica, a causa
de la fricción de las partes móviles del motor, de
la carrocería con el aire y de las
ruedas con el pavimento y los frenos. Finalmente, esa
energía térmica no desparece, sino que pasa al
medio
ambiente.
La energía almacenada inicialmente en el
combustible no se pierde, pero la energía
térmica resultante en el proceso ya no puede volver a ser
aprovechada para mover el vehículo.
Por tanto, durante el proceso la energía ha
perdido su capacidad de transmitirse en forma de trabajo (se ha
degradado). Como la energía degradada no se puede utilizar
nuevamente para obtener trabajo, la definición de
energía como "capacidad de hacer trabajo" no parece ser
totalmente general.
Otros conceptos de energía, tal como "la
energía es una medida del movimiento", introducida por
los filósofos materialistas del siglo XIX,
entran en contradicción con los textos
contemporáneos de física, donde es
posible encontrar energías descubiertas posteriormente que
no están asociadas al movimiento. Por citar sólo un
ejemplo, en referencia a la famosa relación de Einstein
entre la masa y la energía (1905) un conocido texto de
física afirma : " … podemos aseverar que un cuerpo en
reposo tiene una energía Eo = mc2 en
virtud de su masa en reposo. A ésta cantidad se le llama
energía en reposo"… y es adicional a la
energía asociada al movimiento de la
partícula.
Esta indefinición asociada a la energía,
aunque muchas veces conocida, es obviada o soslayada en la
mayoría de los libros de texto. Una excepción
notable puede encontrarse en The Feynman Lectures on
Physics . La discusión del tema comienza introduciendo
el principio de conservación de la energía, – sin
definir esta última previamente – . Tras ilustrar el
principio con algunos ejemplos, se afirma posteriormente que la
energía tiene un gran número de formas
diferentes, cada una con su correspondiente fórmula
asociada: gravitatoria, cinética, radiante, nuclear,
eléctrica, química,
elástica, térmica, másica, para luego
concluir el razonamiento de la siguiente manera: "Es
importante notar que en la física de hoy día no
tenemos conocimiento acerca de lo que es la energía. … .
Es un algo abstracto en el sentido que no nos dice el mecanismo o
las razones para las diversas fórmulas
(sic)."
Tampoco faltan intentos mas recientes de dar una
definición general de energía, ligados a la
sugerencia de impartir la mecánica de forma "novedosa", comenzando
los cursos por los conceptos de trabajo y energía.
Así, por ej., citamos: "Un cuerpo posee energía
cuando puede producir cambios o transformaciones en otros cuerpos
o en sí mismo" , definición que sugiere que
después que cesa el cambio o la
transformación los sistemas ya no tienen energía.
Aún más, a diferencia de las otras dos definiciones
analizadas anteriormente, donde se mencionaba el trabajo o el
movimiento, en este caso ni siquiera aparece el intento de
asociar la definición a la medición de alguna otra
magnitud física.
De hecho, hoy día es prácticamente
imposible encontrar en los libros de texto una definición
generalizada de energía que no pueda ser impugnada por una
razón u otra. ¿Cómo introducir, entonces, el
concepto de energía?
Para esclarecer la pregunta anterior es necesario
analizar primeramente lo que significa una magnitud
física, pues las ciencias físicas trabajan
exclusivamente con magnitudes.
Magnitud es todo lo que se pueda medir con la ayuda de
algún un instrumento, de manera que sea posible asignarle
un valor
numérico. En consecuencia, son magnitudes la longitud, el
tiempo, el
volumen y la
dureza, por mencionar algunos ejemplos. El amor y la
belleza, entre otros, no son magnitudes; no es posible medir
ninguno de los dos con algún instrumento ni expresar su
valor con cifras. Una vez esclarecido el concepto de magnitud, el
problema de la aparente ambigüedad del concepto
energía queda perfectamente resuelto. En el marco de las
ciencias físicas, para definir correctamente cualquier
tipo de energía, es necesario incluir en la
definición la forma de medir, directa o
indirectamente, ese tipo particular de energía.
Así, son perfectamente conocidos muchos tipos
específicos de energía: cinética, potencial,
magnética, energía en reposo (ver tabla 1). Todos
ellas son mensurables, es decir, se les puede asignar un
determinado valor numérico, que dependerá de las
características particulares del sistema analizado
en un instante determinado. Y, en principio, siempre será
posible registrar y estudiar continuamente sus variaciones con el
transcurso del tiempo o los efectos de algún
parámetro externo sobre su valor. Dicho de otra forma,
siempre será posible llevar a cabo experimentos y
hacer ciencia con estas energías.
Tabla 1
Expresión Analítica de
Algunos Tipos de Energía
El principio de conservación de la
energía resume la realidad experimental de que siempre
que desaparece algún tipo de energía en un sistema
(cinética, potencial, del campo) en algún otro
sistema aparece igual cantidad de energía, del mismo o de
otro tipo. Fueron necesarios miles y miles de experimentos
cuantitativos a lo largo de muchos años para llegar a
conocer esta realidad. Su desconocimiento puede conducir a
conclusiones absurdas, incluso en temáticas que, a primera
vista, no parezcan tener relación directa con la
termodinámica.
Otro aspecto a considerar, y que usualmente tiende a
introducir confusión entre los no especialistas, es que el
término energía también se utiliza
para describir el lugar donde se encuentran almacenadas (o de
donde provienen) las diferentes clases o tipos de energía
considerados anteriormente. Así, por ejemplo, en
termodinámica se habla de la energía interna
refiriéndose a la suma de todos los tipos de
energía que puedan existir en un determinado sistema
(cinética, potencial, electrostática). El concepto
energía química se utiliza usualmente para
designar la energía almacenada en los enlaces
químicos de las sustancias. También se habla de
energía eólica (energía
cinética del viento) energía solar y
energía nuclear, entre otras.
Es decir, existe una doble acepción del vocablo
energía; se puede utilizar, siempre en combinación
con algún otro término, tanto para: a) designar un
tipo específico de energía perfectamente mensurable
(cinética, magnética), como para: b) indicar el
lugar de donde provienen o se almacenan los diferentes tipos de
energía (eólica, solar). Note que en ambos casos el
término "energía" tiene asociado algún
"apellido" (cinética, solar) que lo identifica totalmente,
y también que en las ciencias físicas no tiene
mucho sentido hablar de "energía" a secas, término
que aislado carece de una definición exacta por no ser
mensurable. Resulta conveniente señalar que el intento de
tratar de redefinir otras magnitudes físicas, obviando el
hecho de que son precisamente magnitudes, suele conducir a
resultados funestos. Esta situación se presenta a menudo
cuando se desea "mejorar" o simplificar excesivamente la
enseñanza de la física, introduciendo enfoques
supuestamente "novedosos" (ver recuadro).
La doble acepción del concepto energía ha
favorecido la difusión de vocablos
pseudocientíficos que tienden más a enmascarar la
realidad que a esclarecerla. La pseudociencia utiliza
profusamente la terminología científica,
pero sin que los conceptos utilizados por ella
estén realmente asociados al fenómeno que se
pretende describir. La fraseología pseudocientífica
se utiliza con frecuencia para tratar de justificar el uso de
algún nuevo producto
comercial de dudosa eficacia, con la
finalidad expresa de embaucar al lector. También se emplea
habitualmente, con fines similares, para justificar la
aplicación de alguna "nueva" terapia médica cuya
efectividad no ha sido demostrada
científicamente.
Así, es posible encontrar en la literatura no
científica términos tales como
bioenergía, energía vital o
energía piramidal que, o bien carecen de
significado, o se utilizan con un significado erróneo.
Otras veces se habla de "energía cósmica",
"energía biocósmica" o términos similares.
Ninguno de estos términos aparece registrado en el
diccionario,
mucho menos en la literatura científica, y sólo
sirven para indicar la carencia de conocimientos
científicos de quienes los utilizan (ver ref.
/2/).
Considere la definición de
trabajo que aparece en el artículo mencionado
anteriormente /6/: "Trabajo: cambio de la energía de un
sistema por la aplicación de una fuerza" (sic).
Apliquemos esta definición al sistema formado por la Tierra y un
cuerpo que cae hacia ella desde una altura cercana a su
superficie. La energía cinética del cuerpo
varía bajo la acción
de la fuerza
gravitatoria y, según la definición anterior,
habría trabajo. Pero la energía mecánica del sistema no cambia (sistema
conservativo) y, de acuerdo a la definición, no
habría trabajo. Es decir, la definición propuesta
es inaceptable por ambigua: según esa definición,
aún en un mismo sistema y fenómeno, habrá o
no trabajo en dependencia de la energía que Ud. tome en
cuenta.
Es posible resumir brevemente el análisis
anterior de la siguiente forma:
- El término "energía" tiene significados
muy diferentes en las ciencias físicas y en el habla
popular. Contrariamente a lo que ocurre en el campo de las
ciencias, en lo popular el concepto "energía" no
está asociado a alguna magnitud. - Existe una doble acepción del término
energía; se puede utilizar tanto para: a) designar un
tipo específico de energía (cinética,
magnética) como para: b) indicar el lugar de donde
provienen o se almacenan los diferentes tipos de energía
(eólica, solar). - En las ciencias físicas no tiene mucho sentido
hablar de "energía" a secas, término que, aislado
de algún otro que especifique el tipo de energía,
no es una magnitud mensurable y carece de una definición
concluyente. - Se recomienda ser en extremo cuidadoso al analizar la
posible introducción de supuestas definiciones
"novedosas" de las magnitudes físicas. - Términos tales como energía vital,
energía piramidal o energía biocósmica son
términos que carecen de significado real y sólo
se utilizan usualmente para tratar de dar credibilidad a
supuestos resultados pseudocientíficos.
Arnaldo González Arias,
Dpto. Física Aplicada,
Universidad de La Habana;