¿Es la energía la capacidad de trabajar?

«La capacidad de realizar un trabajo «es ciertamente una pésima definición de energía.

¿Es» meramente «una pésima definición, o es en realidad una incorrecta definición? Creo que podría ser cualquiera, dependiendo precisamente de cómo se interprete la palabra «habilidad». Pero si las palabras se interpretan como lo serían en el habla y la vida cotidianas, diría que es una definición incorrecta.

ACTUALIZAR – ¿Cuál es una definición de energía que no es pésima?

Este es un tema complicado. Definir algo que existe en el mundo real (como lo hace en física ) es bastante diferente a definir un concepto dentro de un marco axiomático (como lo hace en matemáticas).

Por ejemplo, ¿cómo «define» el monte Everest? Bueno, no «define exactamente» ¡simplemente descríbalo ! Describe dónde está, describe cómo se ve, describe su altura, etc. Como solo hay una montaña que tiene todas estas propiedades, terminas con una «definición».

Del mismo modo, si empiezo a describir energía (es decir, enumerar varias propiedades de la energía), eventualmente terminaré con una definición de energía (porque nada excepto la energía tiene todas estas propiedades ). Aquí va:

• Los siguientes son ejemplos de energía: energía cinética, energía potencial eléctrica, energía potencial gravitacional, …

• Las leyes fundamentales de la física son las mismas en todo momento: eran las mismas ayer que hoy. Este hecho implica, según el teorema de Noether, que hay una cantidad conservada en nuestro universo … Esta cantidad es energía.

• La relatividad especial relaciona la energía con la masa / inercia.

• La relatividad general relaciona la energía con la curvatura del espacio-tiempo.

• En la mecánica cuántica, la energía de un sistema es su valor propio. con respecto al operador hamiltoniano.

• Cualquier otra cosa que esté olvidando o no haya aprendido …

Todas estas propiedades están interrelacionadas, y de ellas surge una comprensión completamente precisa e inequívoca de lo que es la energía.

(Estoy seguro de que algunas personas afirmarán que una viñeta es la definición fundamental de energía , mientras que las otras viñetas son «meras» consecuencias derivadas. Pero debes saber que esta es una decisión algo arbitraria. Lo mismo es cierto incluso en matemáticas. ¿Qué aspectos de la «variedad diferenciable» son parte de su definición y qué aspectos son probados por teoremas? Los diferentes libros de texto no estarán de acuerdo.

Pero, ¿puedes resumir esa comprensión de la energía en una «definición» de una sola oración que sea técnicamente correcta y fácil de entender? Bueno, no puedo, y dudo que nadie en la tierra pueda hacerlo.

Comentarios

• Oh, ahora entiendo que es simplemente una definición engañosa, Entonces, ¿cuál es una buena definición de energía?
• De hecho, diría que la energía es la cantidad conservada por la invariancia de traslación en el tiempo y el Teorema de Noether ‘, o es la ‘ carga gravitacional ‘ en GR.
• Bueno, ¿por qué intentan hacerlo en la escuela secundaria entonces.Me recuerda la descripción de la energía de Feynmanns Lectures on Physics, es una cosa abstracta que tiene ciertas propiedades que la hacen útil para los científicos.
• Como pregunta, ¿por qué los maestros de la escuela secundaria deben definir la energía? en una forma de una oración, que puede causar confusión?
• @KabeloMoiloa – Usted ‘ pregunta » por qué ¿Los profesores de física de la escuela secundaria y los libros de texto de física ocasionalmente dicen cosas incorrectas? » No estoy en una buena posición para responder eso. Probablemente intervienen muchos factores. ¡Entender el sistema educativo es incluso más difícil que entender la energía, en mi opinión! 😛

1. La segunda ley, reformulada (como lo hizo usted) en términos de eficiencia de Carnot, simplemente dice que el escenario ideal es que toda la energía se convierte en trabajo, mientras que en realidad hay una pérdida debido al calentamiento. Por lo tanto, no contradice que la energía sea la capacidad para trabajar.

2. Su frase «la energía es la capacidad para hacer el trabajo» se justifica por la Teorema de trabajo-energía, es decir, $ W = \ triangle KE $. Si no comenzó con la energía cinética, utilice primero la Ley de conservación de la energía.

Comentarios

• Oh, ¿entonces quieres decir que la energía es la capacidad de hacer el trabajo?
• ¿Qué pasa si el trabajo a realizar es puramente térmico? Digamos, expandiendo un gas …
• Moiloa: Busque ese teorema / principio. @Menon: Se puede volver a fundir en términos térmicos o eléctricos o lo que se desee.
• Aunque idealmente, siempre hay alguna pérdida: un motor térmico (asumiendo cíclico) nunca puede convertir toda su energía de entrada en trabajo.
• Este enunciado del teorema trabajo-energía solo es válido si una partícula, o el centro de masa de un sistema de múltiples partículas, se traduce. Puede haber transferencias de energía dentro de un sistema que no ‘ t dan lugar a una traslación neta. Si me paro en el suelo y empujo contra una pared con la mano y considero que mi cuerpo es el sistema, ciertamente no habrá trabajo en mí (porque hay ‘ un desplazamiento insignificante en el punto de aplicación de la fuerza de la pared ‘ s sobre mí) pero la energía se está gastando porque me canso.

Siempre me gustó y usé la definición de energía de Feynman tal como se articula en The Feynman Lectures (no tengo la referencia específica frente a mí, pero » s en el volumen uno en el capítulo sobre conservación de energía). Feynman define la energía como un número que no cambia a medida que la naturaleza pasa por sus procesos. Por supuesto, hay bastantes números de este tipo, pero no obstante, la energía es uno de esos números. También puede encontrar el libro Energía, el concepto sutil: el Jennifer Coopersmith de los bloques de Feynman desde Leibniz hasta Einstein una referencia útil.

Su declaración de la Segunda Ley es incorrecta. Su versión debe ser «no hay motor térmico que pueda tomar toda la energía que le fue transferida por el calor y trabajar en algún objeto en un proceso cíclico «. (Mis palabras agregadas están en cursiva).

Es cierto que en un proceso no cíclico todo el calor se puede convertir en trabajo. Piense en la expansión de un gas en un cilindro con un pistón móvil que eleva un peso.

En cuanto a la definición de energía, definirla como la capacidad de realizar un trabajo parece ser una definición tan buena como se puede. obtener fácilmente.

En mi opinión, definir Energía como la capacidad de realizar un trabajo es una buena definición, pero debería ser bien entendido. Trataré de explicar por qué en tres pasos.

1. Dado que decimos que la energía representa una capacidad, no es necesario actualizarla , es decir, estar realmente trabajando. Esto es especialmente importante cuando se está considerando la energía potencial.

Un gas a alta temperatura tiene energía interna, pero para convertirse en trabajo, se necesita que se expanda o se conecte a un enfriador. reservorio por alguna máquina térmica.

2. Es importante observar que esta definición se refiere implícitamente al trabajo positivo. Esto es claro cuando consideramos una colisión frontal elástica entre una masa m, con velocidad v, y una masa m idéntica en reposo.
   La energía cinética de la bola en movimiento se convierte en trabajo y, en consecuencia, en energía cinética. de la segunda bola. En esta situación, tenemos: $ v_ {1, i} = v_0 $ , $ v_ {1, f} = 0 $ , $ v_ {2, i} = 0 $ , $ v_ {2, f} = v_0 $ .

El trabajo que hace la primera masa en la segunda viene dado por $ W_ {1,2} = \ frac {mv ^ 2} {2} $ .

El trabajo negativo que la bola en reposo aplica sobre la primera bola, $ W_ {2,1} = – \ frac {mv ^ 2} {2} $ , se debe básicamente al par de fuerza de acción-reacción.

De hecho, la energía kinect de la primera bola se puede identificar exactamente en este ejemplo con el trabajo realizado en la segunda bola. Para diferentes masas, la energía cinética no se convierte completamente en trabajo, pero no importa según el punto 1.

3. Tal definición de energía no debe restringirse al trabajo macroscópico ( también conocido como trabajo útil o trabajo de expansión, en el caso de gases). Esto se puede verificar mediante la comparación entre » 1 mol de gas en $ 300 K $ y 1 mol de gas en $ 500k $ » versus » 2 moles de gas en $ 400K $ «.

Se puede extraer trabajo útil del primer sistema mediante una máquina de calor y no del otro. Sin embargo, ambos tienen la misma energía interna. Se podría observar una aparente contradicción aquí.

Se pueden formular muchos otros ejemplos para crear una aparente contradicción entre la definición de energía como la capacidad para realizar trabajo y la segunda ley de la termodinámica.

La solución para tales ejemplos es que cuando se libera algo de calor al medio ambiente, las partículas en el entorno aumentan su energía cinética promedio y, por lo tanto, algo se realizó realmente a nivel microscópico. level .

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Dicho esto, en mi opinión, la capacidad de realizar un trabajo es una buena definición de la cantidad nos referimos como «Energía».

En las Conferencias Feynman, la energía se define como una cantidad que se conserva en un sistema aislado. Esto es absolutamente correcto. Sin embargo, personalmente creo que esto es demasiado matemáticamente abstracto y evita la explicación real del » que significa » de tal cantidad que se conserva mediante todos los procesos físicos.

Finalmente, me gustaría sugerir también la lectura del breve artículo de JW Warren (1982) para European Journal Science Education: https://doi.org/10.1080/0140528820040308