El término energía (del griego ἐνέργεια enérgeia, ‘actividad’ ‘operación’; de ἐνεργóς energós, ‘fuerza de acción’ o ‘fuerza de trabajo’) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, surgir, transformar o poner en movimiento.
En física (específicamente en mecánica), 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 poder extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico).
La naturaleza es esencialmente dinámica, es decir, está sometida a continuos cambios: posición, velocidad, estado físico...etc. Existe algo común a todos los cambios materiales y que indefectiblemente los acompaña: la energía. La energía es una propiedad o atributo de los cuerpos o sistemas materiales en virtud de la cual éstos pueden transformarse, modificando su condición o estado, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación.
Para que se incluya también a la termodinámica, podemos decir que la energía es la capacidad de los cuerpos para realizar transformaciones (mediante trabajo o mediante calor) en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, el concepto de energía se define como la capacidad de hacer funcionar las cosas.
La masa y la energía están estrechamente relacionadas. Debido a la equivalencia masa-energía, cualquier objeto que tenga masa cuando está inmóvil (llamada masa en reposo) también tiene una cantidad equivalente de energía cuya forma se llama energía en reposo, y cualquier energía adicional (de cualquier forma) adquirida por el objeto por encima de esa energía en reposo aumentará la masa total del objeto al igual que aumenta su energía total. Por ejemplo, después de calentar un objeto, su aumento de energía podría medirse como un pequeño aumento de la masa, con una balanza suficientemente sensible.
Los organismos vivos requieren energía para mantenerse vivos, como la energía que los humanos obtienen de los alimentos. La civilización humana requiere energía para funcionar, que obtiene de recursos energéticos como combustibles fósiles, combustible nuclear o energías renovables. Los procesos del clima y del ecosistema de la Tierra son impulsados por la energía radiante que la Tierra recibe del Sol y la energía geotérmica contenida en el interior de la Tierra.
La unidad de medida que utilizamos para cuantificar la energía es el julio o joule (J), en honor al físico inglés James Prescott Joule.
La palabra energía deriva del griego ἐνέργεια enérgeia, romanizado energeia lit 'actividad, operación', que posiblemente aparece por primera vez en la obra de Aristóteles en el siglo IV a. C. A diferencia de la definición moderna, energeia era un concepto filosófico cualitativo, lo suficientemente amplio como para incluir ideas como la felicidad y el placer.
A finales del siglo XVII, Gottfried Leibniz propuso la idea de la vis viva, o fuerza viva, que definió como el producto de la masa de un objeto por su velocidad al cuadrado; creía que la vis viva total se conservaba. Para explicar la ralentización debida a la fricción, Leibniz teorizó que la energía térmica consistía en el movimiento aleatorio de las partes constituyentes de la materia, aunque pasaría más de un siglo hasta que esto se aceptara de forma generalizada. El análogo moderno de esta propiedad, la energía cinética, difiere de la vis viva sólo por un factor de dos.
En 1807, Thomas Young fue posiblemente el primero en utilizar el término «Energía» en lugar de vis viva, en su sentido moderno. Gustave-Gaspard Coriolis describió en 1829 la energía cinética en su sentido moderno, y en 1853, William Rankine acuñó el término energía potencial. La ley de conservación de la energía también se postuló por primera vez a principios del siglo XIX, y se aplica a cualquier sistema aislado. Durante algunos años se discutió si el calor era una sustancia física, lo que se denominó calórica, o simplemente una cantidad física, como el momento. En 1845 James Prescott Joule descubrió la relación entre el trabajo mecánico y la generación de calor.
Estos avances condujeron a la teoría de la conservación de la energía, formalizada en gran medida por William Thomson (Lord Kelvin) como el campo de la termodinámica. La termodinámica ayudó al rápido desarrollo de las explicaciones de los procesos químicos por parte de Rudolf Clausius, Josiah Willard Gibbs y Walther Nernst. También condujo a la formulación matemática del concepto de entropía por Clausius y a la introducción de las leyes de la energía radiante por Jožef Stefan. Según el teorema de Noether, la conservación de la energía es una consecuencia del hecho de que las leyes de la física no cambian con el tiempo. Así, desde 1918, los teóricos han entendido que la ley de conservación de la energía es la consecuencia matemática directa de la simetría traslacional del conjugado cantidad de energía, es decir, el tiempo. (❁´◡`❁)
El concepto de energía en física
En la física clásica moderna, la ley universal de conservación de la energía —que es el fundamento del primer principio de la termodinámica—, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el tiempo. Eso significa que para multitud de sistemas físicos clásicos, la suma de la energía mecánica, la energía calorífica, la energía electromagnética, y otros tipos de energía potencial es un número constante. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica en función del movimiento de la materia, 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, la energía térmica según su capacidad calorífica, y la energía química según la composición química.
En la teoría de la relatividad el principio de conservación de la energía se cumple, aunque debe redefinirse la medida de la energía para incorporar la energía asociada a la masa, ya que en mecánica relativista, si se considerara la energía definida al modo de la mecánica clásica entonces resultaría una cantidad que no se conserva constante. Así pues, 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, poseen una energía adicional equivalente a
{\displaystyle E={\sqrt {(mc^{2})^{2}+(pc)^{2}}}}
, y si se considera el principio de conservación de la energía esta energía debe ser tomada en cuenta para obtener una ley de conservación (naturalmente en contrapartida la masa no se conserva en relatividad, sino que la única posibilidad para una ley de conservación es contabilizar juntas la energía asociada a la masa y el resto de formas de energía).
En mecánica cuántica el resultado de la medida de una magnitud en el caso general no da un resultado determinista, por lo que solo puede hablarse del valor de la energía de una medida, no obstante el frío es la ausencia del calor, no de la energía del sistema. El valor de la energía en general es una variable aleatoria, aunque su distribución sí puede ser calculada, si bien no el resultado particular de una medida. En mecánica cuántica el valor esperado de la energía de un estado estacionario se mantiene constante. Sin embargo, existen estados que no son propios del hamiltoniano para los cuales la energía esperada del estado fluctúa, por lo que no es constante. La varianza de la energía medida además puede depender del intervalo de tiempo, de acuerdo con el principio de indeterminación de Heisenberg.
La energía es una propiedad de los sistemas físicos, no es un estado físico real, ni una «sustancia intangible». No obstante, hay quienes, como Wilhelm Ostwald, han considerado a la energía como lo auténticamente real, ya que, según la ecuación de la equivalencia la masa que es la medida de la cantidad de materia, puede transformarse en energía y viceversa. Por tanto, no es una abstracción, sino una realidad invariable a diferencia de la materia. En mecánica clásica se representa como una magnitud escalar. La energía es una abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo. En problemas relativistas la energía de una partícula no puede ser representada por un escalar invariante, sino por la componente temporal de un cuadrivector energía-momento (cuadrimomento), ya que diferentes observadores no miden la misma energía si no se mueven a la misma velocidad con respecto a la partícula. Si se consideran distribuciones de materia continuas, la descripción resulta todavía más complicada y la correcta descripción de la cantidad de movimiento y la energía requiere el uso del tensor de energía-impulso.