Energía específica

Energía específica
Símbolos comunes	${\estilo de visualización e}$
Unidad SI	J / kg
Otras unidades	kcal/g, W⋅h/kg, kW⋅h/kg, Btu/lb
En unidades base del SI	m2⋅s − 2​​
Intensivo ?	Sí
Derivaciones de otras magnitudes	$Estilo de visualización e = E/m$
Dimensión	${\displaystyle {\mathsf {L}}^{2}{\mathsf {T}}^{-2}}$

La energía específica o energía másica es la energía por unidad de masa . A veces también se la denomina densidad de energía gravimétrica , que no debe confundirse con la densidad de energía , que se define como la energía por unidad de volumen. Se utiliza para cuantificar, por ejemplo, el calor almacenado y otras propiedades termodinámicas de las sustancias, como la energía interna específica , la entalpía específica , la energía libre de Gibbs específica y la energía libre de Helmholtz específica . También se puede utilizar para la energía cinética o la energía potencial de un cuerpo. La energía específica es una propiedad intensiva , mientras que la energía y la masa son propiedades extensivas .

La unidad del SI para la energía específica es el julio por kilogramo (J/kg). Otras unidades que todavía se utilizan en todo el mundo en algunos contextos son la kilocaloría por gramo (cal/g o kcal/g), principalmente en temas relacionados con la alimentación, y los vatios-hora por kilogramo en el campo de las baterías. En algunos países, la unidad imperial BTU por libra (Btu/lb) se utiliza en algunos campos técnicos aplicados y de ingeniería . ^[1]

La energía específica tiene las mismas unidades que la fuerza específica , que está relacionada con la máxima energía específica de rotación que puede tener un objeto sin desintegrarse debido a la fuerza centrífuga . El concepto de energía específica está relacionado con la noción de energía molar en química , pero es distinto de ella , es decir, la energía por mol de una sustancia, que utiliza unidades como julios por mol, o las calorías por mol , más antiguas pero aún ampliamente utilizadas . ^[2]

La siguiente tabla muestra los factores de conversión a J/kg de algunas unidades no pertenecientes al SI :

Para ver una tabla que muestra la energía específica de muchos combustibles diferentes, así como de baterías, consulte el artículo Densidad de energía .

Para la radiación ionizante , el gray es la unidad del SI de energía específica absorbida por la materia conocida como dosis absorbida , a partir de la cual se calcula la unidad del SI, el sievert, para el efecto estocástico sobre la salud de los tejidos, conocido como dosis equivalente . El Comité Internacional de Pesas y Medidas afirma: "Para evitar cualquier riesgo de confusión entre la dosis absorbida D y la dosis equivalente H , se deben utilizar los nombres especiales para las respectivas unidades, es decir, se debe utilizar el nombre gray en lugar de julios por kilogramo para la unidad de dosis absorbida D y el nombre sievert en lugar de julios por kilogramo para la unidad de dosis equivalente H ". ^[6]

La densidad energética es la cantidad de energía por masa o volumen de alimento. La densidad energética de un alimento se puede determinar a partir de la etiqueta dividiendo la energía por porción (generalmente en kilojulios o calorías de los alimentos ) por el tamaño de la porción (generalmente en gramos, mililitros u onzas líquidas). Una unidad de energía que se usa comúnmente en contextos nutricionales dentro de países no métricos (por ejemplo, Estados Unidos) es la "caloría dietética", "caloría de los alimentos" o "caloría" con una "C" mayúscula y se abrevia comúnmente como "cal". Una caloría nutricional es equivalente a mil calorías químicas o termodinámicas (abreviadas "cal" con una "c" minúscula") o una kilocaloría (kcal). Debido a que la energía de los alimentos se mide comúnmente en calorías, la densidad energética de los alimentos se llama comúnmente "densidad calórica". ^[7] En el sistema métrico, la unidad de energía que se usa comúnmente en las etiquetas de los alimentos es el kilojulio (kJ) o el megajulio (MJ). La densidad energética se expresa comúnmente en unidades métricas de cal/g, kcal/g, J/g, kJ/g, MJ/kg, cal/mL, kcal/mL, J/mL o kJ/mL.

La densidad energética mide la energía liberada cuando un organismo sano metaboliza los alimentos al ingerirlos (consulte la energía de los alimentos para el cálculo). En entornos aeróbicos, esto normalmente requiere oxígeno como entrada y genera productos de desecho como dióxido de carbono y agua. Además del alcohol , las únicas fuentes de energía alimentaria son los carbohidratos , las grasas y las proteínas , que constituyen el noventa por ciento del peso seco de los alimentos. ^[8] Por lo tanto, el contenido de agua es el factor más importante para calcular la densidad energética. En general, las proteínas tienen densidades energéticas más bajas (≈16 kJ/g) que los carbohidratos (≈17 kJ/g), mientras que las grasas proporcionan densidades energéticas mucho más altas (≈38 kJ/g), ^[8] 2+1 ⁄ 4 veces más energía. Las grasas contienen más enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno que los carbohidratos o las proteínas, lo que produce una mayor densidad energética. ^[9] Los alimentos que obtienen la mayor parte de su energía de la grasa tienen una densidad energética mucho mayor que los que obtienen la mayor parte de su energía de los carbohidratos o las proteínas, incluso si el contenido de agua es el mismo. Los nutrientes con una absorción menor, como la fibra o los alcoholes de azúcar , también reducen la densidad energética de los alimentos. Una densidad energética moderada sería de 1,6 a 3 calorías por gramo (7–13 kJ/g); el salmón, la carne magra y el pan entrarían en esta categoría. Los alimentos con alta densidad energética tienen más de tres calorías por gramo (>13 kJ/g) e incluyen galletas saladas, queso, chocolate, nueces, ^[10] y alimentos fritos como papas fritas o tortillas fritas.

La densidad energética a veces es más útil que la energía específica para comparar combustibles. Por ejemplo, el combustible de hidrógeno líquido tiene una energía específica (energía por unidad de masa) más alta que la gasolina , pero una densidad de energía volumétrica mucho menor. ^{[ cita requerida ]}

En la astrodinámica se suele utilizar energía mecánica específica , en lugar de simplemente energía, porque la gravedad cambia las energías específicas cinéticas y potenciales de un vehículo de maneras que son independientes de la masa del vehículo, lo que es coherente con la conservación de la energía en un sistema gravitacional newtoniano .

La energía específica de un objeto como un meteoroide que cae sobre la Tierra desde fuera del pozo gravitatorio terrestre es al menos la mitad del cuadrado de la velocidad de escape de 11,2 km/s. Esto equivale a 63 MJ/kg (15 kcal/g, o 15 toneladas de TNT equivalente por tonelada). Los cometas tienen incluso más energía, ya que normalmente se mueven con respecto al Sol, cuando están cerca de nosotros, aproximadamente a la raíz cuadrada de dos veces la velocidad de la Tierra. Esto equivale a 42 km/s, o una energía específica de 882 MJ/kg. La velocidad relativa a la Tierra puede ser mayor o menor, dependiendo de la dirección. Dado que la velocidad de la Tierra alrededor del Sol es de unos 30 km/s, la velocidad relativa de un cometa con respecto a la Tierra puede variar de 12 a 72 km/s, esta última corresponde a 2592 MJ/kg. Si un cometa con esta velocidad cayera a la Tierra, ganaría otros 63 MJ/kg, lo que daría un total de 2655 MJ/kg con una velocidad de 72,9 km/s. Como el ecuador se mueve a unos 0,5 km/s, la velocidad de impacto tiene un límite superior de 73,4 km/s, lo que da un límite superior para la energía específica de un cometa que impacta la Tierra de unos 2690 MJ/kg.

Si el cometa Hale-Bopp (de 50 km de diámetro) hubiera impactado la Tierra, habría vaporizado los océanos y esterilizado la superficie de la Tierra. ^[11]

• Energía cinética por unidad de masa:1/2⁠ v ² , donde v es la velocidad (dando J/kg cuando v está en m/s). Véase también energía cinética por unidad de masa de proyectiles .
• Energía potencial con respecto a la gravedad, cerca de la Tierra, por unidad de masa: gh , donde g es la aceleración debida a la gravedad ( estandarizada como ≈9,8 m/s ² ) y h es la altura sobre el nivel de referencia (dando J/kg cuando g está en m/s ² y h está en m).
• Calor : las energías por unidad de masa son la capacidad calorífica específica por la diferencia de temperatura , el calor específico de fusión y el calor específico de vaporización.

• Densidad de energía , que tiene tablas de energías específicas de dispositivos y materiales.
• Relación potencia-peso
• Calor de combustión
• Energía orbital específica
• Órdenes de magnitud (energía)

• Çengel, Yunus A.; Turner, Robert H. (2005). Fundamentos de las ciencias termofluídicas . McGraw Hill. ISBN 0-07-297675-6.