TEMA 8. ENERGÍA Y TRABAJO

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1 TEMA 8. ENERGÍA Y TRABAJO 8.1 CONCEPTO DE ENERGÍA De frma general, se puede decir que la energía es una prpiedad de tds ls cuerps que hace psible la interacción entre ells. Tda la energía del Univers estuv en un mment lcalizada en un punt (punt singular) que expltó en el Big Bang. Desde entnces el repart de esa energía a l larg del espaci y del tiemp ha cnfrmad el Univers cncid. Este repart se ha prducid siguiend la ley de cnservación de la energía, que dice: La energía n se crea ni se destruye, sl se transfrma. Aunque desde el Big Bang la energía del Univers ha permanecid cnstante, ésta se ha id transfrmand y sigue transfrmándse de uns tips de energía en trs. Alguns ejempls de ls diferentes tips de energía que existen sn: Energía térmica: es la que se transfiere de un cuerp a tr de diferente temperatura, cm la que adquiere el agua al calentarse en una lla. Energía química: es la que se prduce en las reaccines químicas, cm la que cntiene la gaslina usada cm cmbustible la que pseen ls aliments. Energía eléctrica: es la que tiene la crriente eléctrica, cm la prprcinada pr la batería de un autmóvil. Energía radiante: es la que pseen las radiacines electrmagnéticas. Pr ejempl, la que llega a la Tierra prcedente del Sl. Energía nuclear: es la energía liberada en la fisión y fusión de ls núcles atómics, cm la que se prduce en las centrales nucleares y en el Sl. Cada frma de energía en última instancia pertenece a un de ests ds tips a la cmbinación de ambs: Energía cinética. La tienen tds ls cuerps que están en mvimient. Energía ptencial. La tienen ls cuerps pr la psición que cupan. La energía ptencial a su vez se clasifica en: gravitatria, elástica y eléctrica. Aunque la cantidad de energía del Univers permanece cnstante la Termdinámica dice que la energía se va degradand en cada transfrmación, de frma que parte de la energía invlucrada en un prces se transfrma en un tip de energía que n se puede utilizar, llamada entrpía (S). Esta energía degradada va siend cada vez mayr y llegará un mment en que la energía del Univers esté en frma de entrpía. Mment en el cual n será psible ninguna transfrmación, pr l que tendrá lugar la llamada muerte térmica del Univers. Desde un punt de vista más práctic pdems definir la energía cm: "La capacidad que tienen para realizar un trabaj para transferir calr" La unidad de la energía en el SI es el juli (J). Para hacerns una idea de cuánt es un juli pdems pensar que sería la energía de una manzana de 100 g que cae desde un metr de altura sbre nuestra cabeza. 1

2 8.2 TRABAJO En el lenguaje cmún empleams muy a menud la palabra trabaj, per pcas veces el significad que le dams cincide cn el cncept físic de trabaj. En física, el trabaj (llamad trabaj mecánic) está relacinad cn la fuerza ejercida sbre un cuerp y el desplazamient riginad en éste. "Es la energía transferida de un cuerp a tr mediante la acción de una fuerza en la dirección del desplazamient." El trabaj es una frma de transferir energía de un cuerp a tr, pr l que si calculams el trabaj que un cuerp realiza sbre tr estams hallad el valr de la energía transmitida entre ambs. Cuand la fuerza aplicada sbre un cuerp es cnstante el trabaj se calcula: Siend W el trabaj en julis, la fuerza aplicada sbre el cuerp en Newtn y el desplazamient en metrs. es un prduct escalar de ds vectres de md que da cm resultad un escalar (W) cuy valr se btiene cn la siguiente ecuación: Dnde α el ángul que frman Ejempls: En éste últim ejempl bservams que si la fuerza frma un ángul cn el desplazamient el trabaj se puede calcular cm el. Es pr ell que pdems decir que la cmpnente paralela al desplazamient es la respnsable del trabaj. 8.3 EL TRABAJO COMO FORMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA. El trabaj n es una frma de energía, sin un prcedimient para transferir energía entre ls cuerps sistemas físics Trabaj y energía cinética Cuand las fuerzas aplicadas cambian el estad de mvimient de ls cuerps, se prduce una variación de su energía cinética. El trabaj ttal realizad pr estar fuerzas se puede calcular de ds maneras: 2

3 Cm la suma de ls trabajs realizads pr tdas las fuerzas que actúan sbre el cuerp. Calculand el trabaj de la cmpnente de la fuerza resultante paralela al desplazamient. Cm la fuerza resultante que rigina trabaj mecánic tendrá siempre la dirección y sentid del desplazamient del cuerp, el ángul entre la fuerza y el desplazamient será 0º. Y cm el cs 0 = 1: Pr ejempl, si un cuerp se mueve en la dirección del eje x y actúa sbre él una fuerza resultante F x cnstante, el trabaj ttal realizad pr la fuerza cuand el cuerp se desplaza una distancia determinada será: un MRUA ( Aplicand la segunda ley de Newtn (, se btiene: ) y teniend en cuenta que el cuerp experimenta A se le denmina energía cinética (Ec). Cn l que la expresión anterir queda: es decir A esta expresión se le denmina Terema de las fueras vivas Terema de la energía cinética y dice que: El trabaj realizad pr tdas las fuerzas que actúan sbre un cuerp se emplea en variar la energía cinética de ese cuerp Trabaj y energía ptencial El trabaj realizad pr una fuerza aplicad sbre un cuerp puede prducir en él un cambi en la psición en la frma. Cambi de psición Al levantar un cuerp desde una psición hasta una psición a velcidad cnstante, debems realizar una fuerza F igual al pes del cuerp. El trabaj realizad pr la fuerza prduce una variación de la energía ptencial gravitatria del ascensr: Cm el cuerp sube cn velcidad cnstante F=P=mg y dad que al prduct m g h se le denmina energía ptencial (gravitatria): 3

4 Pr tr lad el trabaj realizad pr el pes: Se dice que el pes es una fuerza cnservativa ya que el trabaj que se realiza cntra ella n se pierde sin que se acumula cnserva en frma de Ep gravitatria para pder usarse en tr mment. Cambi de frma Otra fuerza cnservativa es la fuerza elástica de un muelle. El trabaj que se realizar cntra ells al estirarls encgerls, se acumula en frma de energía ptencial elástica: y Se puede demstrar cm en el apartad anterir. También pdems decir que, cm n hay variación en la velcidad, la fuerza resultante es:. Y el trabaj ttal sbre el muelle es: Pr tant: 8.4 CONSERVACIÓN Y DISIPACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA Las fuerzas se pueden clasificar en fuerzas cnservativas, es decir, aquellas en las que el trabaj realizad en su cntra se cnserva (Ejempls: pes, fuerza elástica y fuerza eléctrica) y fuerzas n cnservativas, para las que el trabaj realizad cntra ellas se pierde (Ejempls: la fuerza de rzamient y la fuerza magnética). Pr tra parte, ya hems vist que el trabaj ttal realizad sbre un cuerp se invierte en variar su energía cinética: Si separams el trabaj realizad pr las fuerzas cnservativas ( ) y pr las n cnservativas ( ): Cm además el trabaj de las fuerzas cnservativas es: ; se btiene: l que es l mism: Si sbre un cuerp n actúan fuerzas n cnservativas (pr ejempl cuand n hay rzamient), Si, la expresión anterir queda: A la suma de la energía cinética más la energía ptencial se le llama energía mecánica: 4

5 Así, el principi de cnservación de la energía mecánica dice que si sbre un cuerp sl actúan fuerzas cnservativas la energía mecánica se cnserva, es decir, permanece cnstante: Cuand actúan fuerzas n cnservativas, cm las fuerzas de rzamient, la energía mecánica n se cnserva. Pr efect del rzamient se transfiere energía mecánica mediante calr al entrn, que l acumula cm energía térmica. Puest que la energía térmica es una frma mens útil de energía, se dice que, debid al rzamient, la energía mecánica se disipa se degrada. En valres absluts, la energía mecánica inicial será igual a la suma de la energía mecánica final y la energía disipada pr el trabaj de las fuerzas de rzamient: 8.5 POTENCIA MECÁNICA (P) La ptencia relacina el trabaj realizad pr una fuerza cn el tiemp que está actuand esa fuerza: Hay situacines en las que para desarrllar una determinada ptencia se necesita aumentar la velcidad a csta de la fuerza, al revés prque resulte más cnveniente. Pr ejempl, un tractr emplea la ptencia en aumentar la fuerza más que la velcidad, al cntrari que curre cn un cche de Fórmula 1. El trabaj realizad pr una fuerza cnstante que actúa sbre un cuerp en la misma dirección del desplazamient es: Y la ptencia puede expresarse en función de la velcidad media del móvil: La ptencia instantánea se btiene cnsiderand un interval de tiemp muy pequeñ: La unidad de la ptencia en el SI es el wati (W). Otra unidad habitual es el caball de vapr (CV), siend 1 CV = 735,5 W. Una unidad de energía muy utilizada en ls hgares es el kwh, que sale de despejar el trabaj de la expresión de la ptencia (W=P t). 5