¿Es la energía una función de trayectoria?
Este artículo necesita citas adicionales para su verificación. Por favor, ayude a mejorar este artículo añadiendo citas de fuentes fiables. El material sin fuente puede ser cuestionado y eliminado.Buscar fuentes: “Funcional de energía” – noticias – periódicos – libros – scholar – JSTOR (diciembre de 2008) (Aprende cómo y cuándo eliminar este mensaje de la plantilla) El funcional de energía es la energía total de un determinado sistema, como un funcional del estado del sistema.
En los métodos energéticos de simulación de la dinámica de estructuras complejas, un estado del sistema suele describirse como un elemento de un espacio de funciones apropiado. Para estar en este estado, el sistema paga un determinado coste en términos de energía requerida por el estado. Esta energía es una cantidad escalar, una función del estado, de ahí el término funcional. El sistema tiende a pasar del estado con mayor energía (mayor coste) al estado con menor energía, por lo que los mínimos locales de este funcional suelen estar relacionados con los estados estacionarios estables. El estudio de estos estados forma parte de los problemas de optimización, en los que se suelen utilizar los términos funcional de energía o funcional de coste para describir la función objetivo.
La energía es una función de estado
Energía potencialEn el caso de un arco y una flecha, cuando el arquero realiza un trabajo sobre el arco, tensando la cuerda, parte de la energía química del cuerpo del arquero se transforma en energía potencial elástica en la extremidad doblada del arco. Cuando se suelta la cuerda, la fuerza entre la cuerda y la flecha realiza un trabajo sobre la flecha. La energía potencial en las extremidades del arco se transforma en energía cinética de la flecha cuando ésta emprende el vuelo.Símbolos comunesPE, U, o VSI unidadjulio (J)Derivaciones de otras cantidadesU = m ⋅ g ⋅ h (gravitacional)
Los tipos más comunes de energía potencial incluyen la energía potencial gravitacional de un objeto que depende de su masa y de su distancia al centro de masa de otro objeto, la energía potencial elástica de un muelle extendido y la energía potencial eléctrica de una carga eléctrica en un campo eléctrico. La unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el julio, que tiene el símbolo J.
El término energía potencial fue introducido por el ingeniero y físico escocés del siglo XIX William Rankine,[3][4] aunque tiene vínculos con el concepto de potencialidad del filósofo griego Aristóteles. La energía potencial se asocia a las fuerzas que actúan sobre un cuerpo de manera que el trabajo total realizado por estas fuerzas sobre el cuerpo depende únicamente de las posiciones inicial y final del cuerpo en el espacio. Estas fuerzas, que se denominan fuerzas conservativas, pueden representarse en cada punto del espacio mediante vectores expresados como gradientes de una determinada función escalar denominada potencial.
Función de la energía en el cuerpo
Como el trabajo depende de la presión externa (\(P_{ext}\), no es el mismo en los dos diagramas. A partir de las dos compresiones anteriores debería quedar claro que el trabajo depende de cómo se hacen las cosas exactamente (por ejemplo, a qué velocidad, con o sin clavijas, etc.). El trabajo no es un estado, sino una función de camino, ya que depende del camino recorrido. Una compresión reversible cuesta mucho menos trabajo que una irreversible.
La constatación de que tanto el trabajo como el calor son formas de energía sufre una gran extensión al decir que es una función de estado. Significa que aunque el calor y el trabajo pueden producirse y destruirse (y transformarse el uno en el otro), la energía se conserva. Esto nos permite llevar una buena contabilidad. Podemos escribir la ley como:
Podemos representar los cambios como integrales, pero sólo para \(U\) podemos decir que independientemente de la trayectoria obtenemos \(ΔU = U2-U1\) si pasamos del estado uno al estado dos. (Es decir, sólo depende de los puntos finales, no del camino).
Obsérvese que cuando escribimos \(dU\) o \(δq\) siempre nos referimos a cambios infinitesimales, es decir, estamos tomando implícitamente un límite para el cambio que se acerca a cero. Para llegar a una diferencia macroscópica como \(\Delta U\) o a una cantidad macroscópica (finita) de calor \(q\) o de trabajo \(w\) tenemos que integrar
Función de energía frente a función de pérdida
Los distintos tipos de alimentos contienen diferentes cantidades de energía. Las grasas y el alcohol contienen cantidades relativamente altas de energía (es decir, 9 calorías por gramo en las grasas y 7 calorías por gramo en el alcohol) en comparación con los hidratos de carbono (3,75 calorías por gramo) y las proteínas (4 calorías por gramo). Por tanto, la cantidad de energía consumida no sólo depende de la cantidad de alimentos consumidos, sino también de los tipos de alimentos consumidos.
La energía producida por los alimentos en el cuerpo humano se utiliza para mantener las funciones esenciales del organismo (por ejemplo, el crecimiento y la reparación de las células, la respiración, el transporte de la sangre) y para realizar tareas físicas como el trabajo, el ejercicio y las actividades recreativas. El cuerpo necesita una cantidad determinada de energía sólo para realizar sus funciones esenciales, y en la mayoría de los individuos, la mayor parte de la energía consumida se gastará realizando estas funciones.
La gran mayoría de las personas también realizan al menos algún tipo de actividad física a lo largo del día. La actividad física incluye todas las formas de movimiento, como caminar, levantar objetos, limpiar, hacer ejercicio y bailar. A medida que aumenta la cantidad total de actividad física que realiza una persona, también aumentan sus necesidades energéticas.