ENERGÍA (I) CONCEPTOS FUNDAMENTALES
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- Sergio Cordero Miranda
- hace 6 años
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1 NRGÍA (I) CONCPTOS UNDAMNTALS IS La Magdalena. Avilé. Aturia La energía e una magnitud de difícil definición, pero de gran utilidad. Para er exacto, podríamo decir que má que de energía (en entido general), deberíamo hablar de ditinto tipo de energía, cada una de ella definida convenientemente. De forma general podríamo decir: neceario tranferir (dar o quitar) algún tipo de energía a un itema para que e produzcan cambio en el mimo. Todo itema que tenga capacidad para producir cambio, tiene energía de alguna clae. Helmholtz en 87 enuncia lo que e conidera una de la leye fundamentale de la íica: la Ley de Conervación de la nergía (LC) La energía no e puede crear (acar de la nada) ni detruir (aniquilar, hacerla deaparecer). Únicamente e puede tranformar de una forma a otra. Si queremo diponer de determinada cantidad de una forma de energía, olo lo podremo coneguir tranformando una cantidad equivalente de otra forma de energía. Hermann von Helmholtz. Potdam. Alemania (8 89) Una de la forma fundamentale de la energía e la energía cinética. Se denomina energía cinética a la que poeen lo cuerpo en movimiento. Depende de la maa y de la velocidad y e define como: cin m v La unidad S.I de energía e el julio (J) que toma el nombre de Jame P. Joule, fíico del iglo XIX autor de numeroo etudio obre el calor. De eta manera un cuerpo de kg de maa que e mueva con una velocidad de m/ tiene una energía cinética de J: m m c m v kg kg J Jame Precott Joule. Solford. Inglaterra (88 889) La fuerza al actuar obre lo cuerpo producen cambio en u velocidad (aceleracione). Por tanto, tranfieren energía cinética a lo cuerpo. La energía cinética tranferida por una fuerza e puede calcular aplicando la iguiente ecuación: W e co Donde: e W = nergía cinética tranferida al cuerpo. Se le da el nombre de trabajo de la fuerza. = uerza aplicada. e= pacio recorrido. co = Coeno del ángulo formado por la fuerza y el entido del deplazamiento.
2 Conideremo lo tre cao iguiente: uerza en el mimo entido que el deplazamiento: W =. e. co 0 0 =. e ; W =. e = 0 0 l igno poitivo indica que la fuerza da energía cinética al cuerpo. uerza en entido contrario al deplazamiento: W =. e. co 80 0 = -. e ; W = -. e l igno negativo indica que la fuerza quita energía cinética al cuerpo. uerza perpendicular al deplazamiento: W =. e. co 90 0 = 0 ; W = 0 = 90 0 La fuerza ni aporta ni quita energía. jemplo Determinar el tipo de energía del cuerpo de la figura (m = 00 g) en el etado inicia, en el final y u velocidad depué de recorrer m. La fuerza tiene un valor de 6 N. v = 3 m/ v? = e Determinamo la energía del cuerpo en el etado inicial, la energía tranferida por la fuerza que actúan y, aplicando la Ley de Conervación de la nergía, calculamo la energía en el etado final. tado inicial. l cuerpo tiene energía cinética: m cin () m v 0, kg 3,8 J nergía cinética tranferida por la fuerza: W =. e = 6 N. m = 30,0 J. (energía cinética dada) Aplicando la Ley de Conervación de la nergía (LC): fin = ini + W ; fin =,8 J + 30,0 J = 3,8 J n el punto final el cuerpo tendrá 3,8 J de energía erá cinética. Por tanto:.3,8 J m m 0,00 kg c() cin () m v ; v,6. dada W = 30, 0 J Como indica el reultado obtenido e ha producido un aumento de la energía cinética del cuerpo (y por tanto de u velocidad) gracia al aporte de energía realizado por la fuerza. Inicial c() =, 8 J inal c() = 3, 8 J
3 jemplo Realiza un balance de energía para el cuerpo indicado en la figura (m = 00 g). La fuerza indicada e la fuerza de rozamiento. Calcula la velocidad al final del recorrido: v = m/ v? N N m m tado inicial. l cuerpo tiene energía cinética: cin () m v, kg,0 J nergía cinética tranferida por la fuerza: W = -.e = - N. m = -,0 J (le quita energía cinética) Aplicando la LC : fin = ini + W ; fin =,0 J,0 J = 8,0 J n el punto final tendrá 8,0 J de energía cinética. Por tanto:.8,0 J m m, kg c() cin () m v ; v 3,3 Inicial c() =, 0 J. quitada (calor) W =, 0 J inal c() = 8,0 J Como indica el reultado obtenido e ha producido una diminución de la energía cinética del cuerpo (y por tanto de u velocidad) debido a que la fuerza reta energía cinética al cuerpo. La fuerza de rozamiento trafiere la energía cinética del cuerpo al ambiente en forma de calor. Lo,0 J de energía cinética iniciale etán al final en forma de calor (,0 J) y de energía cinética (8,0 J). La LC e cumple. La energía no deaparece, ino que paa de una forma a otra. jemplo 3 l cuerpo de la figura tiene una maa de kg. Realizar un balance de energía comentando la variacione de energía que experimenta. = N ; R = N R v = m/ v? R m m tado inicial. l cuerpo tiene energía cinética: cin () m v,0 kg,0 J Como actúan do fuerza calculamo la energía tranferida por cada una de la fuerza: W =. e = N. m = 0, 0 J. da energía cinética al cuerpo. W R = - R. e = - N. m = - 8, 0 J. R quita energía cinética al cuerpo. Al final, la energía cinética tranferida por la fuerza actuante e: W = (0,0 8,0) J =,0 J Aplicando la LC : fin = ini + W ; fin =,0 J +,0 J =,0 J 3
4 n el punto final tendrá,0 J de energía cinética. Por tanto:.,0 J m m,0 kg c() cin () m v ; v,3. dada W = 0,0 J La velocidad al final e mayor que al principio, ya que el balance de energía total aportada por la fuerza que actúan e poitivo. Por tanto, la energía cinética del cuerpo aumentará. Inicial: c() =,0 J inal: c() =,0 J Podría habere reuelto el problema de otra forma: Reducimo la fuerza actuante a una única fuerza equivalente (reultante) que produzca el mimo efecto que y actuando a la vez. Una vez calculada ea fuerza e calcula el trabajo (energía tranferida) por ella: re = + R = N - N = 3 N;. quitada (calor) W R = 8,0 J W re = re. e = 3 N. m = J. Se dan J de energía cinética al cuerpo Como e oberva el reultado e idéntico al obtenido má arriba. l trabajo de la reultante de varia fuerza e igual a la uma de lo trabajo de dicha fuerza. CONCPTO D POTNCIA n mucha ocaione tan importante como aber la cantidad de energía dada o quitada a un itema e conocer la rapidez con la que eta energía e tranferida. Para poder medir la rapidez con la que la energía e tranfiere e define la potencia como la energía tranferida por unidad de tiempo. P t La unidad de potencia en el S. I. e el julio/, llamado vatio ( en honor de Jame Watt), aunque en la práctica también e ua el caballo de vapor (CV) CV = 73 W Según lo dicho, una bombilla (ideal) de 00 W erá capaz de generar energía luminoa (de tranformar la energía eléctrica en energía luminoa) a razón de 00 J por egundo. jemplo Comparar la energía conumida por una bombilla de 00 W y una de 0 W. Una bombilla de 00 W conume energía (e decir, tranforma energía eléctrica que toma de la red en luz y calor) mucho má rápidamente que una de 0 W. Por ejemplo, al cabo de hora de funcionamiento: J nergía conumida por la bombilla de 00 W: P t J 3,6 0 J nergía conumida por la bombilla de 0 W: J P t J, 0 J Nota: La bombilla tradicionale (la de filamento) ólo tranforman en luz un 0 % de la energía eléctrica conumida. l 80 % e tranforma en calor.
5 jemplo 6 Un automóvil de maa 000 kg e capaz de aumentar u velocidad de cero a 00 km/h en 8,0. Calcular u potencia en vatio y en C.V. Inicialmente el automóvil tiene una energía nula (v=0). Al cabo de 8,0 adquiere una velocidad de 00 km/h (7,8 m/). decir, habrá adquirido una energía cinética de: m c m v 000 kg 7,8 3,8.0 J Luego la rapidez con la cual e genera energía cinética (potencia) e: 3,8.0 J J P,8.0,8.0 W 8,kW t 8,8.0 W CV 73 W 6, CV Si conideramo un coche má potente, por ejemplo de 00 CV, erá capaz de aumentar u velocidad (o u energía cinética) má rápidamente. Por ejemplo, para adquirir una velocidad de 00 km/h (7,8 m/) tardaría: 00 CV 73 W C V m c m v 000 kg 7,8 3,8.0 J 7,3.0 W 3,8.0 J P ; t t P 7,3.0 J, O bien, en 8,0 ería capaz de generar una anergía cinética de: J P.t 7,3.0. 8,0 O, lo que e lo mimo, alcanzaría una velocidad de:,88.0 J c. m c m v ; v.,88.0 kg 3 0 kg.m. m km 3,9 3, h
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