miércoles, 31 de agosto de 2011

Densidad

SustanciaDensidad media
(en kg/m3)
Aceite920
Acero7850
Agua destilada a 4 °C1000
Agua de mar1027
Aire1,2
Aerogel1-2
Alcohol780
Magnesio1740
Aluminio2700
Carbono2260
Caucho950
Cobre8960
Cuerpo humano950
Diamante1320
Gasolina680
Helio0,18
Hielo980
Hierro7874
Hormigón armado2400-2500
Madera600 - 900
Mercurio13580
Oro19300
Wolframio19250
Uranio19050
Tántalo16650
Torio11724
Estaño7310
Piedra pómez700
Plata10490
Osmio22610
Iridio22560
Platino21450
Plomo11340
Poliuretano40
Sangre1060 - 1088
Tierra (planeta)5515
Vidrio2500
En física y química, la densidad o masa específica (símbolo ρ) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia.
Ejemplo: un objeto pequeño y pesado, como una piedra de granito o un trozo de plomo, es más denso que un objeto grande y liviano hecho de corcho o de espuma de poliuretano.

 

 Historia

Según un cuento conocido, a Arquímedes le dieron la tarea de determinar si el orfebre de Hierón II de Siracusa desfalcaba el oro durante la fabricación de una corona dedicada a los dioses, y si además lo sustituía por otro metal más barato (proceso conocido como aleación).[1]
Arquímedes sabía que la corona, de forma irregular, podría ser aplastada o fundida en un cubo cuyo volumen se puede calcular fácilmente comparado con la masa. Pero el rey no estaba de acuerdo con estos métodos, pues habrían supuesto la destrucción de la corona.
Desconcertado, Arquímedes se dio un relajante baño de inmersión, y observando la subida del agua caliente cuando él entraba en ella, descubrió que podía calcular el volumen de la corona de oro mediante el desplazamiento del agua. Supuestamente, al hacer este descubrimiento salió corriendo desnudo por las calles gritando: "¡Eureka! ¡Eureka!" (Εύρηκα! en griego, que significa: "Lo encontré"). Como resultado, el término "Eureka" entró en el lenguaje común, y se utiliza hoy para indicar un momento de iluminación.
La historia apareció por primera vez en forma escrita en De Architectura de Vitrubio, dos siglos después de que supuestamente tuviese lugar.[2] Sin embargo, algunos estudiosos han dudado de la veracidad de este relato, diciendo (entre otras cosas) que el método habría exigido medidas exactas que habrían sido difíciles de hacer en ese momento.[3] [4]

 Densidad

La densidad o densidad absoluta es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3), aunque frecuentemente se expresa en g/cm3. La densidad es una magnitud intensiva
\rho = \frac {m}{V}
donde ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen del determinado cuerpo.

 Densidad relativa

Artículo principal: Densidad relativa
La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin unidades)
\rho_r = \frac {\rho}{\rho_0}
donde ρr es la densidad relativa, ρ es la densidad de la sustancia, y ρ0 es la densidad de referencia o absoluta.
Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m3, es decir, 1 kg/L.
Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C.

 Unidades de densidad

Unidades de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI):
R = 0,082 \ \frac{\text{atm} \cdot \text{L}}{\text{mol} \cdot \text{K}}
Unidades usadas en el Sistema Anglosajón de Unidades:

 Densidad media y puntual

Para un sistema homogéneo, la fórmula masa/volumen puede aplicarse en cualquier región del sistema obteniendo siempre el mismo resultado.
Sin embargo, un sistema heterogéneo no presenta la misma densidad en partes diferentes. En este caso, hay que medir la "densidad media", dividiendo la masa del objeto por su volumen o la "densidad puntual" que será distinta en cada punto, posición o porción infinitesimal del sistema, y que vendrá definida por:
\rho = \lim_{V \to 0} \frac {m}{V} = \frac {d m}{d V}

 Densidad aparente y densidad real

La densidad aparente es una magnitud aplicada en materiales porosos como el suelo, los cuales forman cuerpos heterogéneos con intersticios de aire u otra sustancia normalmente más ligera, de forma que la densidad total del cuerpo es menor que la densidad del material poroso si se compactase.
En el caso de un material mezclado con aire se tiene:
\rho_{ap} = \frac {m_{ap}}{V_{ap}} = \frac {m_r + m_{aire}}{V_r + V_{aire}}
La densidad aparente de un material no es una propiedad intrínseca del material y depende de su compactación.
La Densidad aparente del suelo (Da) se obtiene secando una muestra de suelo de un volumen conocido a 105 °C hasta peso constante.
Da = {W_{SS}\over V_S}
Donde:
WSS: Peso de suelo secado a 105 °C hasta peso constante.
VS: Volumen original de la muestra de suelo.
Se debe considerar que para muestras de suelo que varíen su volumen al momento del secado, como suelos con alta concentración de arcillas 2:1, se debe expresar el contenido de agua que poseía la muestra al momento de tomar el volumen.

 Medición de densidad


Picnómetro.
La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de forma directa. Para la obtención indirecta de la densidad, se miden la masa y el volumen por separado y posteriormente se calcula la densidad. La masa se mide habitualmente con una balanza, mientras que el volumen puede medirse determinando la forma del objeto y midiendo las dimensiones apropiadas o mediante el desplazamiento de un líquido, entre otros métodos.
Entre los instrumentos más comunes para la medida de densidades tenemos:
Otra posibilidad para determinar las densidades de líquidos y gases es utilizar un instrumento digital basado en el principio del tubo en U oscilante.[cita requerida]

Cambios de densidad

En general, la densidad de una sustancia varía cuando cambia la presión o la temperatura.
  • Cuando aumenta la presión, la densidad de cualquier material estable también aumenta.
  • Como regla general, al aumentar la temperatura, la densidad disminuye (si la presión permanece constante). Sin embargo, existen notables excepciones a esta regla. Por ejemplo, la densidad del agua crece entre el punto de fusión (a 0 °C) y los 4 °C; algo similar ocurre con el silicio a bajas temperaturas.[cita requerida]
El efecto de la temperatura y la presión en los sólidos y líquidos es muy pequeño, por lo que típicamente la compresibilidad de un líquido o sólido es de 10–6 bar–1 (1 bar=0,1 MPa) y el coeficiente de dilatación térmica es de 10–5 K–1.
Por otro lado, la densidad de los gases es fuertemente afectada por la presión y la temperatura. La ley de los gases ideales describe matemáticamente la relación entre estas tres magnitudes:
\rho = \frac {p\,M}{R\,T}
donde R\, es la constante universal de los gases ideales, p\, es la presión del gas, M\, su masa molar y T\, la temperatura absoluta.
Eso significa que un gas ideal a 300 K (27 °C) y 1 atm duplicará su densidad si se aumenta la presión a 2 atm manteniendo la temperatura constante o, alternativamente, se reduce su temperatura a 150 K manteniendo la presión constante.
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jueves, 25 de agosto de 2011

Ciencia

Ciencia

El conocimiento científico adquirido a lo largo de la historia de la humanidad ha permitido al hombre realizar hazañas tan prodigiosas como, por ejemplo, llegar a la Luna, logros que apenas hace unas décadas antes habrían resultado posibles únicamente en la imaginación.
La ciencia (del latín scientia 'conocimiento') es el conjunto de conocimientos sistemáticamente estructurados obtenidos mediante la observación de patrones regulares, de razonamientos y de experimentación en ámbitos específicos, de los cuales se generan preguntas, se construyen hipótesis, se deducen principios y se elaboran leyes generales y esquemas metódicamente organizados.[1]
La ciencia utiliza diferentes métodos y técnicas para la adquisición y organización de conocimientos sobre la estructura de un conjunto de hechos suficientemente objetivos y accesibles a varios observadores, además de basarse en un criterio de verdad y una corrección permanente. La aplicación de esos métodos y conocimientos conduce a la generación de más conocimiento objetivo en forma de predicciones concretas, cuantitativas y comprobables referidas a hechos observables pasados, presentes y futuros. Con frecuencia esas predicciones pueden formularse mediante razonamientos y estructurarse como reglas o leyes generales, que dan cuenta del comportamiento de un sistema y predicen cómo actuará dicho sistema en determinadas circunstancias.

 

Descripción y clasificación de las ciencias

La llamada ciencia experimental se ocupa solamente del estudio del universo natural ya que, por definición, todo lo que puede ser detectado o medido forma parte de él. En su trabajo de investigación, los científicos se ajustan a un cierto método, el método científico, un proceso para la adquisición de conocimiento empírico. Para fines de comprensión, puede decirse que la llamada ciencia aplicada consiste en la aplicación del conocimiento científico teórico (la llamada ciencia básica o teórica) a las necesidades humanas y al desarrollo tecnológico. Es por eso que es muy común encontrar, como término, la expresión "ciencia y tecnología": dos aspectos inseparables, en la vida real, de una misma actividad.
Algunos descubrimientos científicos pueden resultar contrarios al sentido común. Ejemplos de esto son la teoría atómica o la mecánica cuántica, que desafían nociones comunes sobre la materia. Muchas concepciones intuitivas de la naturaleza han sido transformadas a partir de hallazgos científicos, como el movimiento de traslación de la Tierra alrededor del Sol o la teoría evolutiva de Charles Darwin.
Disciplinas científicas
Esquema de clasificación planteado por el epistemólogo alemán Rudolf Carnap:
Ciencias formalesEstudian las formas válidas de inferencia: lógica - matemática. No tienen contenido concreto; es un contenido formal, en contraposición al resto de las ciencias fácticas o empíricas.
Ciencias naturalesSon aquellas disciplinas científicas que tienen por objeto el estudio de la naturaleza: astronomía, biología, física, geología, química, geografía física y otras.
Ciencias socialesSon aquellas disciplinas que se ocupan de los aspectos del ser humano - cultura y sociedad- El método depende de cada disciplina particular: administración, antropología, ciencia política, demografía, economía, derecho, historia, psicología, sociología, geografía humana, trabajo social y otras.
Mario Bunge (1983) clasificó la ciencia en función del enfoque que se da al conocimiento científico: por un lado, el estudio de los procesos naturales o sociales (el estudio de los hechos) y, por el otro, el estudio de procesos puramente lógicos y matemáticos (el estudio de las ideas), es decir, postuló la existencia de una ciencia factual (o ciencia fáctica) y una ciencia formal.
Las ciencias factuales se encarga de estudiar hechos auxiliándose de la observación y la experimentación. Por ejemplo, la física y la psicología son ciencias factuales porque se refieren a hechos que se supone ocurren en la realidad y, por consiguiente, tienen que apelar al examen de la evidencia empírica para comprobarlos. En conclusión, el objeto de estudio de la ciencia formal no son las cosas ni los procesos, sino las relaciones abstractas entre signos, es decir, se estudian ideas. Son ciencias formales la lógica y las matemáticas.

Terminología usada en ciencias

Los términos modelo, hipótesis, ley y teoría tienen en la ciencia un significado muy distintos al que se les da en el lenguaje coloquial. Los científicos utilizan el término modelo para referirse a una descripción de algo, especialmente algo que pueda usarse para realizar predicciones que puedan ser sometidas a prueba por experimentación u observación. Una hipótesis es una afirmación que aún no ha sido bien respaldada o bien que aún no ha sido descartada. Una ley física o ley natural es una generalización científica basada en observaciones empíricas.
La palabra teoría es incomprendida particularmente por el común de la gente. El uso coloquial de la palabra teoría se refiere, equivocadamente, a ideas que aún no han sido demostradas firmemente o que no tienen un respaldo experimental. En contraposición, los científicos generalmente utilizan esta palabra para referirse a un cuerpo de leyes o principios a través de los cuales se realizan predicciones acerca de fenómenos específicos. Formalmente, una teoría es un sistema conceptual, general y explicativo, racional, empírico y suficientemente objetivo sobre hechos o sobre algún aspecto de la realidad.[cita requerida]

Método científico

Artículos principales: Método científico y Lógica empírica
Cada ciencia, y aun cada investigación concreta, genera su propio método de investigación. En general, se define como método el proceso mediante el cual una teoría científica es validada o bien descartada. La forma clásica del método de la ciencia ha sido la inducción (formalizada por Francis Bacon en la ciencia moderna), pero que ha sido fuertemente cuestionada como el método de la ciencia, especialmente por Karl Popper, quien sostuvo que el método de la ciencia es el hipotético-deductivo.[cita requerida]
En todo caso, cualquiera de los métodos científicos utilizados requiere los siguientes criterios:
Existe una serie de pasos inherentes al proceso científico que, aunque no suelen seguirse en el orden aquí presentado, suelen ser respetados para la construcción y el desarrollo de nuevas teorías. Éstos son:
El modelo atómico de Bohr, un ejemplo de una idea que alguna vez fue aceptada y que, a través de la experimentación, fue refutada.
  • Observación: registrar y examinar atentamente un fenómeno, generalmente dentro de una muestra específica, es decir, dentro de un conjunto previamente establecido de casos.
  • Descripción: detallar los aspectos del fenómeno, proponiendo incluso nuevos términos al respecto.
  • Hipótesis: plantear las hipótesis que expliquen lo observado en el fenómeno y las relaciones causales o las correlaciones correspondientes.
  • Experimentación: es el conjunto de operaciones o actividades destinadas, a través de situaciones generalmente arbitrarias y controladas, a descubrir, comprobar o demostrar las hipótesis.
  • Demostración o refutación, a partir de los resultados de uno o más experimentos realizados, de las hipótesis propuestas inicialmente.
  • Inducción: extraer el principio general implícito en los resultados observados.
  • Comparación universal: la permanente contrastación de hipótesis con la realidad.
La experimentación no es aplicable a todas las ramas de la ciencia; su exigencia no es necesaria por lo general en áreas del conocimiento como la vulcanología, la astronomía, la física teórica, etc. Sin embargo, la repetibilidad de la observación de los fenómenos naturales es un requisito fundamental de toda ciencia que establece las condiciones que, de producirse, harían falsa la teoría o hipótesis investigada (véase falsación).
Por otra parte, existen ciencias, especialmente en el caso de las ciencias humanas y sociales, donde los fenómenos no sólo no se pueden repetir controlada y artificialmente (que es en lo que consiste un experimento), sino que son, por su esencia, irrepetibles, por ejemplo, la historia. De forma que el concepto de método científico aplicado a estas ciencias habría de ser repensado, y la definición podría ser como sigue: "Proceso de conocimiento caracterizado por el uso constante e irrestricto de la capacidad crítica de la razón que busca establecer la explicación de un fenómeno ateniéndose a lo previamente conocido, y que busca generar, como resultado, una explicación plenamente congruente con los datos de la observación."[cita requerida].

Aplicaciones de la lógica y de las matemáticas en la ciencia

Artículo principal: Cálculo
Principia Mathematica de Isaac Newton.
La lógica y la matemática son esenciales para todas las ciencias porque siempre son exactas. La función más importante de ambas es la creación de sistemas formales de inferencia y la concreción en la expresión de modelos científicos. La observación y colección de medidas, así como la creación de hipótesis y la predicción, requieren a menudo modelos lógico-matemáticos y el uso extensivo del cálculo, y en la actualidad resulta especialmente relevante la creación de modelos numéricos, debido a las enormes posibilidades de cálculo que ofrecen los ordenadores (véase computación).
Las ramas de la matemática más comúnmente empleadas en la ciencia incluyen el análisis matemático, el cálculo matemático y las estadísticas, aunque virtualmente toda rama de la matemática tiene aplicaciones en la ciencia, incluso en áreas "puras" como la teoría de números y la topología. El uso de la matemática es particularmente frecuente en física, y en menor medida en química, biología y algunas ciencias sociales (por ejemplo, los constantes cálculos estadísticos necesarios en las investigaciones de la psicología).
Algunos pensadores ven a la matemática como una ciencia, considerando que la experimentación física no es esencial a la ciencia o que la demostración matemática equivale a la experimentación. Otros opinan lo contrario, ya que en matemática no se requiere evaluación experimental de las teorías e hipótesis. En cualquier caso, la utilidad de la matemática para describir el universo es un tema central de la filosofía de la matemática.

Filosofía de la ciencia

Artículo principal: Filosofía de la ciencia
La efectividad de la ciencia como modo de adquisición de conocimiento ha constituido un notable campo de estudio para la filosofía. La filosofía de la ciencia intenta comprender el carácter y justificación del conocimiento científico y sus implicaciones éticas. Ha resultado particularmente difícil proveer una definición del método científico que pueda servir para distinguir en forma clara la ciencia de la no ciencia o de la pseudociencia.
La más bella y profunda emoción que nos es dado sentir es la sensación de lo místico. Ella es la que genera toda verdadera ciencia. El hombre que desconoce esa emoción, que es incapaz de maravillarse y sentir el encanto y el asombro, está prácticamente muerto. Saber que aquello que para nosotros es impenetrable realmente existe, que se manifiesta como la más alta sabiduría y la más radiante belleza, sobre la cual nuestras embotadas facultades sólo pueden comprender en sus formas más primitivas. Ese conocimiento, esa sensación, es la verdadera religión.
Albert Einstein
En la actualidad, la posición generalizada es la naturalista, frente al fundacionalismo predominante en toda la tradición. Tanto es así que incluso podría considerarse una moda filosófica, desdibujando el sentido originario del naturalismo. Las características básicas del naturalismo original son, como señaló Quine en La naturalización de la epistemología, una posición no fundacionalista y multidisciplinaria. Mientras que el objetivo tradicional de la filosofía de la ciencia ha sido el de justificar y legitimar el conocimiento científico, el objetivo posterior es el de entender cómo se da tal conocimiento científico, entendido como actividad y empresa humana, utilizando para ello todos los recursos pertinentes, es decir, todas las disciplinas relevantes: biología, psicología, antropología, sociología, etc., e incluso economía y tecnología.

Historia de la ciencia

Artículo principal: Historia de la ciencia
Nicolás Copérnico.
A pesar de ser relativamente reciente el método científico (concebido en la revolución científica del siglo XVII), la historia de la ciencia no se interesa únicamente por los hechos posteriores a dicha ruptura. Por el contrario, ésta intenta rastrear los precursores a la ciencia moderna hasta tiempos prehistóricos.
La ciencia moderna tiene sus orígenes en civilizaciones antiguas, como la babilónica, la china y la egipcia. Sin embargo, fueron los griegos los que dejaron más escritos científicos en la Antigüedad.
Tanto en las culturas orientales como en las precolombinas evolucionaron las ideas científicas y algunas personas consideran que, durante siglos, fueron muy superiores a las occidentales, sobre todo en matemáticas y astronomía. Sin embargo, los griegos dejaron tratados muy modernos de geometría, álgebra y astronomía.
Durante muchos años las ideas científicas convivieron con mitos, leyendas y pseudociencias (falsas ciencias). Así, por ejemplo, la astrología convivió con la astronomía, y la alquimia con la química. La astrología sostenía que los astros ejercen influencia real y física sobre nuestra personalidad (la astrología actual ya no lo sostiene así, ahora consiste en el estudio de la influencia simbólica sobre nuestra forma de ser). La alquimia, por su parte, tenía por objetivo encontrar la fórmula para convertir cualquier metal en oro y descubrir el elíxir de la eterna juventud. Ninguna de estas dos disciplinas (astrología y alquimia) aplica el método científico de forma rigurosa, y por tanto, aunque han modificado sus afirmaciones antiguas, no pueden llamarse ciencias.
Tras la caída del Imperio Romano de Occidente (476 dC), gran parte de Europa perdió contacto con el conocimiento escrito, y se inició la Edad Media. En la actualidad, es más común considerar el desarrollo de la ciencia como un proceso continuado y gradual, con sus antecedentes también medievales.
El Renacimiento (siglo XIV en Italia), llamado así por el redescubrimiento de los trabajos de los antiguos pensadores griegos y romanos, marcó el fin de la Edad Media y fundó cimientos sólidos para el desarrollo de nuevos conocimientos. De los científicos de esta época se destaca Nicolás Copérnico, a quien se le atribuye haber iniciado la llamada revolución científica con su teoría heliocéntrica.
Hay historiadores de la ciencia que afirman que en realidad no hubo una sino muchas revoluciones científicas. Hay otros que sostienen que no ha habido ninguna revolución científica en la historia de la ciencia, es decir, que la ciencia se ha desarrollado sin sobresaltos, de manera uniforme.
De cualquier manera, haya habido o no una o más revoluciones científicas, entre los muchísimos pensadores más prominentes que dieron forma al método científico y al origen de la ciencia como sistema de adquisición de conocimiento, vale la pena destacar a Roger Bacon (1214-1294) en Inglaterra, a René Descartes (1596-1650) en Francia y a Galileo Galilei (1564-1642) en Italia. Éste último fue el primer científico que basó sus ideas en la experimentación y que estableció el método científico como la base de su trabajo. Por ello es considerado el padre de la ciencia moderna.
Desde entonces hasta hoy, la ciencia ha avanzado a pasos agigantados. La ciencia se ha convertido en parte de nuestra cultura y va ligada al avance tecnológico. Es importante que la divulgación científica llegue a toda la sociedad. Para ello, además de los científicos, los medios de comunicación y los museos tienen un papel de vital importancia.

Actualidad

La historia reciente de la ciencia está marcada por el continuo refinado del conocimiento adquirido y el desarrollo tecnológico, acelerado desde la aparición del método científico.
Si bien las revoluciones científicas de principios del siglo XX se dieron sobre todo en el campo de la física a través del desarrollo de la mecánica cuántica y la relatividad general, en el siglo XXI la ciencia se enfrenta a la revolución biotecnológica.
El desarrollo moderno de la ciencia avanza en paralelo con el desarrollo tecnológico, y ambos campos se impulsan mutuamente.
Véanse también: Revolución científica y avances científicos recientes

Divulgación científica

Artículo principal: Divulgación científica
La divulgación científica tiene como objetivo hacer asequible el conocimiento científico a la sociedad más allá del mundo puramente académico. La divulgación puede referirse a los descubrimientos científicos del momento, como la determinación de la masa del neutrino, de teorías bien establecidas como la teoría de la evolución o de campos enteros del conocimiento científico. La divulgación científica es una tarea abordada por escritores, científicos, museos y periodistas de los medios de comunicación. La presencia tan activa y constante de la ciencia en los medios y la de éstos en aquélla ha hecho que, de un tiempo a la fecha, se debata sobre si, más que divulgación científica, debería usarse el término periodismo científico.
Algunos científicos notables han contribuido especialmente a la divulgación del conocimiento científico más allá del mundo estrictamente académico (en la radio y, sobre todo, en la televisión). Algunos de los más conocidos: Jacob Bronowski (El ascenso del hombre), Carl Sagan (Cosmos: Un viaje personal), Stephen Hawking (Historia del tiempo), Richard Dawkins (El gen egoísta), Stephen Jay Gould, Martin Gardner (artículos de divulgación de las matemáticas en la revista Scientific American), David Attenborough (La vida en la tierra) y autores de ciencia ficción como Isaac Asimov. Otros científicos han realizado sus tareas de divulgación tanto en libros como en novelas de ciencia ficción, como Fred Hoyle. La mayor parte de las agencias o institutos científicos destacados en los Estados Unidos cuentan con un departamento de divulgación (Education and Outreach), si bien ésta no es una situación común en la mayor parte de los países. Por último, no debemos olvidar mencionar el hecho de que muchos artistas, aunque no sea su actividad formal la divulgación científica, han realizado esta tarea a través de sus obras de arte: gran número de novelas y cuentos y otros tipos de obras de ficción narran historias directa o indirectamente relacionadas con descubrimientos científicos diversos (el novelista italiano Italo Calvino, por ejemplo).

Influencia en la sociedad: la ética de la ciencia

Dado el carácter universal de la ciencia, su influencia se extiende a todos los campos de la sociedad, desde el desarrollo tecnológico a los modernos problemas de tipo jurídico relacionados con campos de la medicina o la genética. En ocasiones la investigación científica permite abordar temas de gran calado social como el Proyecto Genoma Humano y grandes implicaciones éticas como el desarrollo del armamento nuclear, la clonación, la eutanasia y el uso de las células madre.
Asimismo, la investigación científica moderna requiere en ocasiones importantes inversiones en grandes instalaciones como grandes aceleradores de partículas (CERN), la exploración espacial o la investigación de la fusión nuclear en proyectos como ITER. En todos estos casos es deseable que los logros científicos conseguidos lleguen a la sociedad.
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ENERGIA

Energía

Un rayo es una forma de transmisión de energía.
El término energía (del griego ἐνέργεια/energeia, actividad, operación; ἐνεργóς/energos=fuerza de acción o fuerza trabajando) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla, y luego darle un uso industrial o económico.

El concepto de energía en física

En la física, la ley universal de conservación de la energía, que es la base para el primer principio de la termodinámica, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece en el tiempo. No obstante, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, contienen energía; además, pueden poseer energía adicional que se divide conceptualmente en varios tipos según las propiedades del sistema que se consideren. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica según el movimiento de la materia, la energía química según la composición química, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella y la energía térmica según el estado termodinámico.
La energía no es un estado físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo una magnitud escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo.
Se utiliza como una abstracción de los sistemas físicos por la facilidad para trabajar con magnitudes escalares, en comparación con las magnitudes vectoriales como la velocidad o la posición. Por ejemplo, en mecánica, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial, que componen la energía mecánica, que en la mecánica newtoniana tiene la propiedad de conservarse, es decir, ser invariante en el tiempo.
Matemáticamente, la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema de Noether.

Energía en diversos tipos de sistemas físicos

La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas, está involucrada en todos los procesos de cambio de Estado físico, se transforma y se transmite, depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva.[1] Por lo tanto todo cuerpo es capaz de poseer energía, esto gracias a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, por supuesto todas coherentes y complementarias entre sí, todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.

Física clásica

En la mecánica se encuentran:
En electromagnetismo se tiene a la:
En la termodinámica están:

Física relativista

En la relatividad están:
Al redefinir el concepto de masa, también se modifica el de energía cinética (véase relación de energía-momento).

Física cuántica

En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además de la energía asociadas a la materia ordinaria o campos de materia, en física cuántica aparece la:

Química

En química aparecen algunas formas específicas no mencionadas anteriormente:
Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular (véase Ruta metabólica).

Energía potencial

Artículo principal: Energía potencial
Es la energía que se le puede asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de su posición o de su configuración. Si en una región del espacio existe un campo de fuerzas conservativo, la energía potencial del campo en el punto (A) se define como el trabajo requerido para mover una masa desde un punto de referencia (nivel de tierra) hasta el punto (A). Por definición el nivel de tierra tiene energía potencial nula. Algunos tipos de energía potencial que aparecen en diversos contextos de la física son:
  • La energía potencial gravitatoria asociada a la posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (en el contexto de la mecánica clásica). La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio constante viene dada por: E_p = mgh\, donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de energía potencial.
  • La energía potencial electrostática V de un sistema se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación:
\mathbf{E} = - \operatorname{grad}\ V
siendo E el valor del campo eléctrico.
  • La energía potencial elástica asociada al campo de tensiones de un cuerpo deformable.
La energía potencial puede definirse solamente cuando existe un campo de fuerzas que es conservativa, es decir, que cumpla con alguna de las siguientes propiedades:
  1. El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos es independiente del camino recorrido.
  2. El trabajo realizado por la fuerza para cualquier camino cerrado es nulo.
  3. Cuando el rotor de F es cero (sobre cualquier dominio simplemente conexo).
Se puede demostrar que todas las propiedades son equivalentes (es decir que cualquiera de ellas implica la otra). En estas condiciones, la energía potencial en un punto arbitrario se define como la diferencia de energía que tiene una partícula en el punto arbitrario y otro punto fijo llamado "potencial cero".

Energía cinética de una masa puntual

La energía cinética es un concepto fundamental de la física que aparece tanto en mecánica clásica, como mecánica relativista y mecánica cuántica. La energía cinética es una magnitud escalar asociada al movimiento de cada una de las partículas del sistema. Su expresión varía ligeramente de una teoría física a otra. Esta energía se suele designar como K, T o Ec.
El límite clásico de la energía cinética de un cuerpo rígido que se desplaza a una velocidad v viene dada por la expresión:
E_c = {1 \over 2} mv^2
Una propiedad interesante es que esta magnitud es extensiva por lo que la energía de un sistema puede expresarse como "suma" de las energía de partes disjuntas del sistema. Así por ejemplo puesto que los cuerpos están formados de partículas, se puede conocer su energía sumando las energías individuales de cada partícula del cuerpo.

Magnitudes relacionadas

La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Energía y trabajo son equivalentes y, por tanto, se expresan en las mismas unidades. El calor es una forma de energía, por lo que también hay una equivalencia entre unidades de energía y de calor. La capacidad de realizar un trabajo en una determinada cantidad de tiempo es la potencia.

Transformación de la energía

Para la optimización de recursos y la adaptación a nuestros usos, necesitamos transformar unas formas de energía en otras. Todas ellas se pueden transformar en otra cumpliendo los siguientes principios termodinámicos:
  • “La energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma”. De este modo, la cantidad de energía inicial es igual a la final.
  • “La energía se degrada continuamente hacia una forma de energía de menor calidad (energía térmica)”. Dicho de otro modo, ninguna transformación se realiza con un 100% de rendimiento, ya que siempre se producen unas pérdidas de energía térmica no recuperable. El rendimiento de un sistema energético es la relación entre la energía obtenida y la que suministramos al sistema.

Unidades de medida de energía

La unidad de energía definida por el Sistema Internacional de Unidades es el julio, que se define como el trabajo realizado por una fuerza de un newton en un desplazamiento de un metro en la dirección de la fuerza, es decir, equivale a multiplicar un Newton por un metro. Existen muchas otras unidades de energía, algunas de ellas en desuso.
NombreAbreviaturaEquivalencia en julios
Caloríacal4,1855
Frigoríafg4.185,5
Termiath4.185.500
Kilovatio horakWh3.600.000
Caloría grandeCal4.185,5
Tonelada equivalente de petróleoTep41.840.000.000
Tonelada equivalente de carbónTec29.300.000.000
Tonelada de refrigeraciónTR3,517/h
ElectronvoltioeV1.602176462 × 10-19
British Thermal UnitBTU o BTu1.055,05585
Caballo de vapor por hora[2]CVh3,777154675 × 10-7
Ergioerg1 × 10-7
Pie por libra (Foot pound)ft × lb1,35581795
Foot-poundal[3]ft × pdl4,214011001 × 10-11

La energía como recurso natural

Artículo principal: Energía (tecnología)
En tecnología y economía, una fuente de energía es un recurso natural, así como la tecnología asociada para explotarla y hacer un uso industrial y económico del mismo. La energía en sí misma nunca es un bien para el consumo final sino un bien intermedio para satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios. Al ser un bien escaso, la energía es fuente de conflictos para el control de los recursos energéticos.
Es común clasificar las fuentes de energía según incluyan el uso irreversible o no ciertas materias primas, como combustibles o minerales radioactivos. Según este criterio se habla de dos grandes grupos de fuentes de energía explotables tecnológicamente:
Energías renovables:
Fuentes de Energías no renovables (o nuclear-fósil):
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