Qué es la energía? 15/01/2015

Transcripción

1 5/0/05 Qué es la energía? La energía es la capacidad de realizar un trabajo Ejemplos: Un muelle comprimido posee energía porque al dejarlo en libertad puede desplazar un objeto y realizar un trabajo. El agua embalsada a cierta altura posee energía porque al dejarla caer e incidir sobre los álabes de una turbina produce trabajo mecánico La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra.

2 5/0/05 S.I. CGS ST Otras unidades Longitud metro (m) centímetro (cm) metro (m) Masa kilogramo (kg) gramo (gr) u.t.m. utm=9,8kg Tiempo segundo (s) segundo (s) segundo (s) minuto, hora, día Superficie m =0 4 cm cm m Volumen m 3 =0 6 cm 3 cm 3 m 3 Densidad kg/m 3 =0-3 g/cm 3 g/cm 3 u.t.m./m 3 Velocidad m/s cm/s m/s km/h Aceleración m/s cm/s m/s Velocidad angular rad/s rad/s rad/s r.p.m., r.p.s Aceleración angular rad/s rad/s rad/s Fuerza newton (N) dina (din) N =0 5 din kilopondio=kgf (kp o kgf) kp = kgf = 9,8 N Momento de fuerza N*m din* cm kp * m Trabajo = Energía julio (J) ergio (erg) J= 0 7 erg kilográmetro (kgf*m ) Potencia vatio (W) erg/s kp*m/s = (kpm/s) CV = 736 W Presión pascal (Pa) baria=din/cm =0-6 bar bar (bar) bar=0 5 Pa kgf/m atm =,03*0 5 Pa Formas de energía: Energía mecánica Entre los distintos tipos de energía cabe citar los siguientes: ENERGÍA MECÁNICA.- Energía almacenada por los cuerpos materiales, puede ser Cinética y/o Potencial: E m Energía Cinética (Ec).- Es la energía que posee un cuerpo debido a su velocidad. E c * m * v [ J] Si sobre un cuerpo actúa una fuerza que realiza sobre él un trabajo W, se cumple que: Teorema de las fuerzas vivas: W E E C E c E p C EC m* v m* v

3 5/0/05 Formas de energía: Energía mecánica Energía Potencial (Ep).- Es la energía que posee un cuerpo debido a su altura. E p m* g* h [ J] m = masa del cuerpo (kg) g= aceleración de la gravedad (m/s ) [Peso= m*g] h = Altura sobre el nivel de referencia (m) Decimos que un cuerpo habrá realizado un trabajo al variar su altura que viene dado por la expresión: W E p m* g( h h0 ) Formas de energía: Energía mecánica 3 Energía Potencial Elástica (Ep x ).- Es la energía que posee un cuerpo elástico (resorte) en virtud de su estado de tensión. E px * k * x [ J] k = Constante elástica del resorte (N/m) x= Desplazamiento del resorte desde su posición de reposo ( m) [deformación) h = Altura sobre el nivel de referencia (m) 3

4 5/0/05 Formas de energía: Energía eléctrica Es la energía que proporciona la corriente eléctrica. Se trata de una energía de transporte que generalmente procede y se transforma en otro tipo de energía como calor, energía mecánica, etc E cc P * t V * I * t R* I * t Ecc = Energía en corriente continua (W*s) P = Potencia (W) t = tiempo (s) V = Tensión (V) I = Corriente (A) R = Resistencia (Ω) Es muy corriente expresar la energía eléctrica en kw*h Formas de energía: Energía química Todas las sustancias poseen cierta energía que se pone de manifiesto cuando al reaccionar con otras se transforman en otras diferentes: Si en la reacción se produce calor.la energía de los reactivos > La energía de los productos Si en la reacción se absorbe calor La energía de los reactivos< La energía de los productos Las sustancias que como el carbón o los hidrocarburos de petróleo desprenden energía química en forma de calor reciben el nombre de combustibles La energía química de un cuerpo al arder (Q) el calor liberado- es función del producto de su poder calorífico (Pc) por la masa del cuerpo que se quema (m) - para sólidos y líquidos-. Si es un gas la masa se sustituye por el Volumen (V) Q P * m ( sólidos y líquidos) Q P * V ( gases ) c C real El valor del Pc de la tabla para los gases corresponde a condiciones normales ( atm y 0 ºC). Para otras condiciones la expresión que permite calcular el poder calorífico real es: 73 3 P C real Pc * p* [ kcal / m ] 73 T T Temperatura del combustible enºc p Presióndel combustible,enelmomentodel uso,en atm 3 P Poder caloríficodel combustible encondiciones normales enkcal/m c 4

5 5/0/05 Formas de energía: Energía nuclear Es la energía propia de la materia y que se libera al fisionarse romperse- ( ejemplo: el uranio, el plutonio,..) o fusionarse unirse- ( ejemplo: un átomo de deuterio y otro de tritio forman helio) los núcleos de determinados átomos. Einstein demostró que la masa resultante de una reacción nuclear es menor que el de sus componentes, esa diferencia de masa se transforma en energía según la ecuación: E = Energía calorífica obtenida en J m = masa desaparecida en kg c = velocidad de la luz ( 3*0 8 m/s) E m*c La energía que se libera en el Sol es energía nuclear de fusión. En cada segundo algo más de 4 *0 6 toneladas de masa se convierten en 4*0 6 J que es enviada desde el Sol al espacio. Formas de energía: Energía térmica Es una forma de energía debida a la agitación térmica de las moléculas que componen el cuerpo, que se manifiesta por las variaciones de temperatura, cambios de estado y de volumen de los mismos. Se transmite de unos cuerpos a otros como consecuencia de la diferencia de temperatura. Esta transmisión se puede dar por conducción, convección y radiación. 5

6 5/0/05 Formas de energía: Energía térmica ACUMULACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA EN LOS CUERPOS Se denomina calor específico a la cantidad de calor que es necesario aportar a kg de masa del cuerpo (sólido o líquido) para elevar su temperatura º C Calor específico La cantidad de calor que es capaz de ganar o perder un cuerpo, cuando cambia su temperatura, viene dado por la expresión: Q m* Ce * T f T i Q = Calor cedido/ganado en kcal Ce = Calor específico en kcal/kg m = masa en kg Tf = Temperatura final del cuerpo en ºC Ti = Temperatura inicial del cuerpo en ºC Es el calor transmitido entre cuerpos que están en contacto, donde el calor pasa del cuerpo a más Tª al cuerpo con Tª menor, por efecto de choques moleculares. Q * S * T f Ti * t d Q= Calor en kcal = Coeficiente de conductividad en kcal / m * h * ºC d = Distancia entre las superficies de los cuerpos en m S= Superficie de transmisión del cuerpo en m Tf = Temperatura final del cuerpo en ºC Ti =Temperatura inicial del cuerpo en ºC t = tiempo en h Ejemplo 6

7 5/0/05 Q * S * T T t Ejemplo f i * Todos los fluidos, al calentarse, pierden densidad; así, en una mezcla de partículas calientes y frías, se da un trasiego de partículas en el seno del fluido donde las partículas calientes se sitúan sobre las frías debido al calor. Q= Calor en kcal = Coeficiente de convección en kcal / m * h * ºC S= Superficie de transmisión del cuerpo en m Tf = Temperatura final del cuerpo en ºC Ti =Temperatura inicial del cuerpo en ºC t = tiempo en h El calor por radiación es que se transmite por ondas electromagnéticas. El cuerpo más caliente irradia calor en forma de ondas que son transmitidas a distancia al ambiente que le rodea. Por ejemplo, al situarse en los laterales de una estufa, se recibe calor por radiación 4 4 T T Q c * S * * t Cuando una superficie irradiada es de distinto material del de la superficie que irradia: c c c 4,95 Q= Calor transmitido en kcal c= Coeficiente de radiación en kcal / m * h * ºK S= Superficie de transmisión del cuerpo en m T =Tª absoluta del cuerpo irradiado ºK T = Tª absoluta del cuerpo que irradia calor en ºK t = tiempo en h Coeficiente de radiación (c) T(º K) 73,5 T(º C) 7

8 5/0/05 La energía interna de un cuerpo puede aumentarse o disminuirse aportando o extrayendo de él calor, Q, o por medio de trabajo mecánico, W, cumpliéndose siempre que: er Principio de la Termodinámica U Q W ΔU = Variación de la energía interna del cuerpo en J Q = Calor aportado (+) al sistema o cedido (-) por él en J W =Trabajo aportado (+) por el cuerpo o sistema o realizado (-) en él en J Q > 0 Criterio de signos W < 0 W > 0 SISTEMA Q < 0 Si un sistema está aislado (no intercambia ni materia ni energía con el exterior) se verifica que Q=W=0, por tanto la energía permanece constante, aunque puede transformarse, de ahí, se concluye el llamado principio de conservación de la energía, que dice que la energía ni se crea ni se destruye sólo se transforma En la práctica, ninguna transformación energética se verifica en su totalidad y siempre hay una fracción más o menos grande que no se aprovecha en trabajo útil. Se denomina rendimiento de una máquina a la relación entre el trabajo útil obtenido y la energía aportada al sistema. Trabajo realizado *00 Energía suministrada Rendimientos aproximados de algunas máquinas: Motores de explosión: 5 % Motores eléctricos: 80 y 90 % Paneles solares: 5 % Turbinas eólicas: 30 % Batería: 98 % Transformador eléctrico: 99,9 % Central nuclear: 5 % Lámpara incandescente: 5 % 8

9 5/0/05 Según el Instituto para la Diversificación Ahorro de la Energía (IDAE), la energía consumida en las viviendas españolas se distribuye: Calefacción y agua caliente sanitaria 66% 6 % en los electrodomésticos. 0 % en la cocina. 7 % en iluminación. % en aire acondicionado. El ahorro energético que se puede conseguir con un uso eficiente de los equipamientos de nuestras viviendas es muy importante. A medio y largo plazo, los electrodomésticos más baratos pueden resultar caros si no se tiene en cuenta la información sobre su consumo energético. Con este propósito, la Comisión Europea puso en marcha en 989 el sistema de etiquetas energéticas para informar a los usuarios del consumo de energía del electrodoméstico, generalmente en la forma de uso de la energía, eficiencia y/o costos de la energía, contribuyendo al mismo tiempo a controlar la contaminación medioambiental, puesto que la mayor parte de la energía que hay en el planeta procede de fuentes energéticas agotables. 9