El Principio de Conservación de la Energía o Ley de conservación de la energía, también conocido como el Primer principio de la termodinámica, establece que la cantidad total de energía en un sistema físico aislado (es decir, sin interacción alguna con otros sistemas) permanecerá siempre igual, excepto cuando se transforme en otros tipos de energía.
Esto se resume en el principio de que la energía en el universo no puede ni crearse ni destruirse, únicamente transformarse en otras formas de energía, como puede ser la energía eléctrica en energía calórica (así operan las resistencias) o en energía lumínica (así operan los bombillos). De allí que, al realizar ciertos trabajos o en presencia de ciertas reacciones químicas, la cantidad de energía inicial y final parecerá haber variado si no se tienen en cuenta sus transformaciones.
De acuerdo al Principio de Conservación de la Energía, al introducir en un sistema una cantidad de calor (Q) determinada, ésta será siempre igual a la diferencia entre el aumento de la cantidad de energía interna (ΔU) más el trabajo (W) efectuado por dicho sistema. De esa manera, tenemos la fórmula:
Q = ΔU + W,
de donde se desprende que
ΔU = Q – W.
Este principio aplica también al campo de la química, pues la energía involucrada en una reacción química tenderá a conservarse siempre, al igual que la masa, excepto en los casos en que esta última se transforme en energía, como lo indica la famosa fórmula de Albert Einstein:
E = m.c2
donde E es energía, m es masa y c la velocidad de la luz.
Esta ecuación es de suma importancia en las teorías relativistas.
La energía, entonces, no se pierde, como se ha dicho ya, pero sí puede dejar de ser útil para realizar un trabajo, conforme a la Segunda ley de la termodinámica: la entropía (desorden) de un sistema tiende al incremento a medida que transcurre el tiempo, es decir, los sistemas tienden irremediablemente al desorden.
La acción de esta segunda ley en concordancia con la primera es lo que impide que existan sistemas aislados que conserven su energía intacta para siempre (como el movimiento perpetuo, o el contenido caliente de un termo). Que la energía no puede crearse ni destruirse no significa que permanezca inmutable.
Ejemplos del Principio de conservación de la energía
Supongamos que hay una niña sobre un tobogán, en reposo. Sobre ella actúa solo una energía potencial gravitatoria, por tanto, su energía cinética es de 0 J. Al deslizarse tobogán abajo, en cambio, su velocidad aumenta y también su energía cinética, pero al perder altura, su energía potencial gravitatoria también disminuye. Finalmente, alcanza la velocidad máxima justo al final del tobogán, con su máximo de energía cinética. Pero su altura habrá disminuido y su energía potencial gravitatoria será de 0 J. Una energía se transforma en otra, pero la suma de ambas arrojará siempre la misma cantidad en el sistema descrito.
Otro ejemplo posible es el funcionamiento de un bombillo, que recibe una cantidad determinada de energía eléctrica al accionar el interruptor y la transforma en energía lumínica y en energía térmica, pues el bombillo se calienta. El monto total de energía eléctrica, térmica y lumínica es el mismo, pero se ha transformado de eléctrica en lumínica y térmica.
Ley de conservación de la materia
La ley de conservación de la materia, conocida también como ley de conservación de la masa o simplemente como ley Lomonósov-Lavoisier (en honor a los científicos que la postularon), es un principio de la química que plantea que la materia no se crea ni se destruye durante una reacción química, solo se transforma.
Esto significa que las cantidades de las masas involucradas en una reacción determinada deberán ser constantes, es decir, la cantidad de reactivos consumidos es igual a la cantidad de productos formados, aunque se hayan transformado los unos en los otros.
Este principio fundamental de las ciencias naturales fue postulado por dos científicos de manera simultánea e independiente: el ruso Mijaíl Lomonósov en 1748 y el francés Antoine Lavoisier en 1785. Llama la atención que esto ocurriera antes del descubrimiento del átomo y la postulación de la teoría atómica, con la cual es mucho más sencillo explicar e ilustrar el fenómeno.
La excepción a la regla la constituyen las reacciones nucleares, en las que es posible convertir masa en energía y viceversa.
Junto a la equivalencia entre masa y energía, la ley de la conservación de la materia fue clave para la comprensión de la química contemporánea.
Antecedentes de la Ley de conservación de la materia
La química de aquellos años entendía los procesos de reacción de manera muy distinta a la actual, en algunos casos llegando a afirmar lo contrario a lo que plantea esta ley.
En el siglo XVII Robert Boyle experimentaba al pesar metales antes y después de dejarlos oxidar. Este científico atribuía el cambio en el peso de estos metales a la ganancia de materia, ignorando que el óxido metálico que se formaba provenía de la reacción del metal con el oxígeno del aire.
Descubrimiento de la Ley de conservación de la materia
Las experiencias que llevaron a Lavoisier al descubrimiento de este principio tienen que ver con uno de los principales intereses de la química de la época: la combustión. Calentando diversos metales, el francés se dio cuenta de que ganaban masa al calcinarse si se dejaban expuestos al aire, pero que su masa permanecía idéntica si estaban en envases cerrados.
Así, dedujo que esa cantidad extra de masa provenía de algún lado. Propuso, entonces, su teoría de quela masa no era creada, sino tomada del aire. Por ende, en condiciones controladas, puede medirse la cantidad de masa de los reactivos antes del proceso químico y la cantidad de masa posterior, que deben ser necesariamente idénticas, aunque ya no lo sea la naturaleza de los productos.
Ejemplo de la Ley de conservación de la materia
Un perfecto ejemplo de esta ley lo constituye la combustión de hidrocarburos, en la que puede verse al combustible arder y “desaparecer”, cuando en realidad se habrá transformado en gases invisibles y agua.
Por ejemplo, al quemar metano (CH4) tendremos la siguiente reacción, cuyos productos serán agua y gases invisibles, pero de una cantidad de átomos idéntica que los reactivos:
