Ley de Conservación de la Energía
La ley de conservación de la energía establece que la energía no se puede crear ni destruir, solo transferir o transformar de una forma a otra.
Definition
La ley de conservación de la energía dice que la energía nunca puede crearse de la nada ni destruirse; solo puede cambiar de una forma a otra o pasar de un objeto a otro. Enunciada para un sistema, la energía total de un sistema aislado permanece constante: la energía puede transferirse entre objetos y transformarse entre formas (cinética, potencial, térmica, química, eléctrica, luminosa, sonora), pero el total antes de cualquier proceso es igual al total después, y la energía que parece "perdida" por lo general se ha convertido en energía térmica. Formalmente, $dE_{\text{total}}/dt = 0$ para un sistema aislado, donde $E_{\text{total}}$ incluye las formas mecánica, térmica, química, electromagnética y nuclear, y para un sistema que intercambia energía con su entorno, $\Delta E_{\text{system}} = Q + W$, la primera ley de la termodinámica. Por el teorema de Noether, la conservación de la energía se deriva de la invariancia de las leyes físicas bajo la traslación temporal. En relatividad, la masa se incluye mediante $E = mc^2$, así que la masa-energía es la cantidad conservada.
Example
Cuando frotas tus manos, la energía del movimiento se convierte en calor; la energía del movimiento no desapareció, cambió de forma y calentó tus manos. Una pelota de $1\ \text{kg}$ soltada desde $2\ \text{m}$ empieza con $19.6\ \text{J}$ de energía potencial pero rebota hasta solo $1.5\ \text{m}$, o $14.7\ \text{J}$; los $4.9\ \text{J}$ faltantes se convirtieron en calor y sonido durante el rebote, y nada fue destruido. A mayor escala, un auto de $1{,}200\ \text{kg}$ que se mueve a $25\ \text{m/s}$ y frena hasta detenerse convierte sus $\tfrac{1}{2}(1200)(625) = 375{,}000\ \text{J}$ de energía cinética en energía térmica en los discos de freno. Si los discos tienen una masa total de $8\ \text{kg}$ y un calor específico de $460\ \text{J/(kg}\cdot^\circ\text{C)}$, su temperatura sube unos $375000 / (8 \times 460) \approx 102^\circ\text{C}$ antes de que empiece a enfriarse.
Key Insight
Si algo de energía parece desvanecerse, busca calor, sonido o luz; fue a alguna parte, porque la energía nunca simplemente desaparece. Esta ley es la razón por la que las máquinas de movimiento perpetuo son imposibles: una máquina no puede producir más energía de la que recibe, y la fricción garantiza que produzca un poco menos. La energía se conserva pero no se preserva en utilidad. La energía térmica esparcida por el entorno ya no puede reunirse para realizar trabajo, que es el dominio de la segunda ley: la cantidad de energía es fija, pero la calidad de la energía se degrada.