TEMA 5 LA ENERGÍA. W = F d. Otras unidades del trabajo con el kwh, que es el trabajo realizado por un sistema de potencia 1 kw durante una hora.

Transcripción

1 Objetivos / Criterios de evaluación TEMA 5 LA ENERGÍA O.5.1 Identificar el concepto de trabajo mecánico y sus unidades O.5.2 Conocer el concepto de energía y sus unidades y tipos. O.5.3 Aplicar el principio de conservación de la energía mecánica a situaciones sencillas. O.5.4 Conocer los distintos tipos de fuentes energéticas y el problema energético actual. O.5.5 Conocer el concepto de potencia y sus unidades. O.5.6 Resolver problemas de máquinas simples 1. Trabajo mecánico (Páginas 106) Def.: Trabajo: Es una magnitud física escalar. Es el producto entre una fuerza aplicada y la distancia recorrida en la misma dirección que la fuerza. Puede entenderse como el producto escalar entre el vector fuerza y el vector desplazamiento. Se expresa W. Su unidad en el S.I. de unidades es el Julio. 1 Julio es el trabajo realizado por una fuerza de 1 N cuando recorre una distancia de 1 metro en su misma dirección. W = F d Otras unidades del trabajo con el kwh, que es el trabajo realizado por un sistema de potencia 1 kw durante una hora. El trabajo se llama motor cuando el desplazamiento se produce en el mismo sentido que la fuerza. El trabajo se llama resistente cuando el desplazamiento se produce en sentido contrario a la fuerza. 2. Trabajo mecánico (Páginas 108) Def.: Energía: Es una magnitud física escalar. Expresa la capacidad que tiene un cuerpo o un sistema de producir un trabajo. Cuando un cuerpo realiza un trabajo, o sobre él se realiza un trabajo, experimenta un incremento de energía. Su unidad en el S.I. Es también el Julio. dopcion3=2329&codopcion4= Def.: Energía mecánica de un cuerpo es la energía que este tiene como consecuencia de su posición (Energía potencial) o de su velocidad (Energía cinética). E m = E p + E c

2 Def.: Energía Potencial de un cuerpo es la energía que éste tienen como consecuencia de su posición en el espacio, de su deformación o de su estado. Pueden considerarse: Def.: Energía Potencial gravitatoria: la que tiene un cuerpo como consecuencia de su posición en el campo gravitatorio terrestre. Se calcula como Ep = m g h Def.: Energía Potencial elástica: es la que tiene un cuerpo elástico como consecuencia de la deformación elástica a la que se encuentra sometido. Se calcula como E pe = k x 2 Esta fórmula puede calcularse a partir de la Ley de Hooke teniendo en cuenta que la fuerza elástica va disminuyendo a medida que lo hace la deformación. Def.:Energía cinética de un cuerpo es la energía que éste tiene como consecuencia de su velocidad. Se calcula como 2 E c = m v2 3. Principio de conservación de la energía (Página 110) La energía mecánica de un cuerpo permanece constante. Los cambios producidos en la energía potencial se transmiten en energía cinética y viceversa. Def. Péndulo: es un dispositivo en el que un cuerpo suspendido de un cable, oscila alternativamente girando alrededor de un eje que se encuentra en el extremo del cable. La energía de un cuerpo ni se crea ni se destruye, se transforma de un tipo a otro. No obstante, en cada transformación la energía pierde capacidad de producir trabajo efectivo y por tanto, de hecho se produce una degradación energética en cada transformación. 4. Potencia y rendimiento (Páginas 112) Def.: Potencia es una magnitud física escalar. Expresa la cantidad de trabajo realizado en cada unidad de tiempo. Se expresa como P. Su unidad en el S.I. Es el Watio (W). 1 Watio es la potencia de un sistema que realiza un trabajo de 1 Julio en 1 segundo de tiempo. Otras unidades de potencia empleadas es el caballo de vapor (CV). 1 CV es la potencia de un sistema que es capaz de levantar una masa de 75 kg a 1 metro de altura en un segundo de tiempo. 1 CV= 735 W. 2 P= W t

3 Def.: Rendimiento de un motor es la relación entre la potencia que suministra el motor (potencia útil) y la potencia que consume (potencia suministrada). Puede expresarse en tanto por ciento o en tanto por uno. R= P u P s Ps 5. Calor y transferencia de energía (Páginas 113) El calor: es la energía transferida de un cuerpo a otro cuando se encuentran a distinta temperatura. Esta transferencia finaliza cuando los dos cuerpos se encuentran a la misma temperatura. Se dice entonces que se ha llegado al equilibrio térmico. Su unidad en el S.I. es el Julio (J) Otra unidad del calor es la caloría (cal) una caloría es el calor necesario para incrementar un grado centígrado a un gramo de agua entre 14,5 y 15,4ºC. Se llama equivalente mecánico del calor a la equivalencia entre las dos unidades. 1 cal=4,18 J; 1J=0,24 cal. La kilocaloría es un múltiplo de la caloría que se utiliza en alimentación. Se expresa como Cal o Kcal y su valor es de cal Temperatura: es la medida de la energía cinética media de las partículas de un cuerpo. 6. Calor y cambio de temperatura (Páginas 115) La cantidad de calor que se transfiere entre dos cuerpos depende de la diferencia de temperatura entre ellos y de su masa. También depende de una constante que refleja la naturaleza de los cuerpos. Q=c e m Δt Def.: Capacidad Calorífica específica. (calor específico) de un cuerpo es la cantidad de energía necesaria para que un kg de una sustancia eleve su temperatura en un grado de temperatura. Se mide en J/kg K o J/kg ºC Q c e = m Δ t Cuando se ponen en contacto dos sustancias a distintas temperaturas, intercambian calor. El calor absorbido por una es igual al emitido por la otra, es decir: m 1 c e1 (t e -t 1 )=-m 2 ce 2 (t e -t 2 ) Esta fórmula nos sirve para calcular la temperatura de equilibrio entre los dos cuerpos.

4 7. Calor transferido en los cambios de estado (Página 117) Durante los cambios de estado, la temperatura de los cuerpos permanece constante. El calor suministrado y cedido por la materia se utiliza en la reorganización molecular. Calor latente, L, es la energía absorbida o desprendida por 1 kg de una sustancia durante un cambio de estado, sin incrementar su temperatura. Podemos hablar de calor latente de fusión Lf y latente de vaporización Lv. Para calcular el calor absorbido o desprendido por una sustancia durante un cambio de estado utilizamos la siguiente fórmula: DondeL es Lf o Lv, según corresponda. Q=m L 8. Dilatación en sólidos y líquidos (Página 119) La dilatación es el proceso por el que los cuerpos incrementan su volumen a medida que se incrementa su temperatura, como consecuencia de la mayor distancia entre sus partículas necesaria para un movimiento más rápido. En función de que queramos calcular el incremento de longitud, superficie o área, debemos utilizar una de las siguientes fórmulas: l=l 0 (1+λT) donde λ es el coeficiente de dilatación lineal y l y l 0 las longitudes inicial y final tras un incremento de T grados centígrados de temperatura. S=S 0 (1+σT) donde σ es el coeficiente de dilatación superficial y S y S0 las superficies inicial y final tras un incremento de T grados centígrados de temperatura. V=V 0 (1+γT) donde γ es el coeficiente de dilatación volumétrica y V y V 0 los volúmenes inicial y final tras un incremento de T grados centígrados de temperatura. En los cuerpos se cumple que σ=2λ y que γ=3λ

5 9. Dilatación en gases. Leyes de los gases Ley de Boyle-Mariotte. La presión y el volumen de un gas, a temperatura constante, son inversamente proporcionales. P V=cte Ley de Charles-Gay-Lussac. La temperatura y la presión en un gas, a volumen constante, son directamente proporcionales. P/V=cte. La temperatura y el volumen en un gas, a presión constante, son directamente proporcionales. V/T=cte P V = cte V T = cte Ley de gases ideales P 1 V 1 T 1 = P 0 V 0 T Máquinas térmicas (Página 121) Def.: Máquina térmica es aquella que transforma la energía térmica en trabajo. La energía térmica la obtiene de la diferencia de temperatura que existe entre una fuente caliente y una fuente fría. La energía utilizada por la máquina es la diferencia entre el calor tomado de la fuente caliente y el cedido a la fuente fría. E= Q 1 -Q 2 Def.: Rendimiento de una máquina térmica es el cociente entre el la diferencia de las temperaturas de las fuentes y la temperatura de la fuente caliente. R= T 1 T 2 T 1 Las máquinas térmicas pueden ser de combustión externa o interna en función de que la combustión que produce el calor se realice en el interior de la propia máquina (motor de gasolina o Diésel) o en el exterior (máquina de vapor) Máquina de vapor Constan de una caldera donde se quema un combustible y se calienta un líquido, normalmente agua, para formar vapor de agua. Este vapor se dirige a un cilindro hueco donde desplaza un pistón produciendo el trabajo mecánico. Tras desplazar el pistón, el vapor se recoge y enfría de nuevo en un condensador para ser reutilizado.

6 Motores de explosión y Diesel Son motores de combustión interna. Ambos constan de un pistón que se desliza por el interior de un cilindro y que acciona un sistema biela-manivela (cigüeñal) que da lugar al giro del eje motor. Pueden ser de dos tiempos (más sencillos) o de cuatro tiempos y combustible gasolina o gas (motor de explosión) o gasóleo (motor Diésel). utilizar como Los de dos tiempos son utilizados en máquinas sencillas: motocicletas de pequeña cilindrada, cortacéspedes, algunos motores de barco, etc... tienen un rendimiento menor que el motor de cuatro tiempos pero su aceleración es mayor y su mantenimiento mucho más barato. Los de cuatro tiempos realizan un ciclo térmico que consta de las siguientes fases en función de que el motor sea de gasolina o Diésel: TIEMPO MOTOR GASOLINA MOTOR DIESEL 1º Admisión: Se abre la válvula de admisión y una mezcla de aire y gasolina se introduce en el cilindro mientras el pistón desciende. 2º Compresión: el pistón asciende comprimiendo la mezcla del interior e incrementando su temperatura. 3º Explosión: una chispa salta en la bujía, situada en la parte superior del cilindro. La mezcla gasolina/aire, que se encuentra muy caliente y a gran presión, explota y empuja el pistón hacia abajo. Este es el único tiempo que produce trabajo. 4º Expulsión: el pistón asciende mientras se abre la válvula de escape expulsando la mezcla ya quemada al exterior y preparándose para el nuevo ciclo Admisión: Se abre la válvula de admisión y entra aire en el cilindro mientras el pistón desciende Compresión: el pistón asciende comprimiendo el aire del interior e incrementando su temperatura en mayor medida que el motor de gasolina. Explosión: una nube de gasóleo es inyectada desde el inyector, situado en la parte superior del cilindro. La mezcla gasóleo/aire, que se encuentra muy caliente y a gran presión, detona y empuja el pistón hacia abajo. Este es el único tiempo que produce trabajo. Expulsión: el pistón asciende mientras se abre la válvula de escape expulsando la mezcla ya quemada al exterior y preparándose para el nuevo ciclo.

7 Máquina frigorífica y bomba de calor Def.: Máquina frigorífica es una máquina térmica que utilizando una fuente de energía envía calor desde una fuente fría hacia una fuente caliente, enfriando aún más la fría y calentando aún más la caliente. Si utilizamos la fuente fría, hablamos de una máquina frigorífica (frigoríficos y equipos de aire acondicionado) que utilizamos para enfriar el interior del frigorífico o de la casa mientras calentamos la cocina (por la parte de atrás del frigorífico) o la calle. Si utilizamos la fuente caliente hablamos de una fuente de calor que se utiliza para calentar el interior de las casas enfriando la calle. El funcionamiento es el mismo, y utiliza un fluido (el gas de los frigoríficos): Un motor acciona un compresor que comprime, y por tanto calienta el gas y lo envía a la zona de la fuente caliente. El gas caliente (por haber sido comprimido) se pone en contacto con la fuente caliente que está a menor temperatura, y la cede más calor, con lo que el gas queda a la temperatura de la fuente caliente pero comprimido. El gas retorna a la zona de la fuente fría y se descomprime, con lo que se enfría y queda más frío que la fuente fría, por lo tanto toma calor de ésta enfriándola. Alcanzada la temperatura de la fuente fría vuelve a comprimirse y se inicia el ciclo de nuevo. 11. Fuentes de energía Tipo Energía Fuente Tecnología Ventajas Inconvenientes Combustibles fósiles Carbón Gas Poder calorífico Se produce vapor de agua que mueve una alternador que produce energía eléctrica Abundante Barato Tecnología desarrollada Siempre disponible No renovable Contamina Efecto Minas peligrosas Petróleo Nuclear De Fisión Ruptura de núcleos atómicos pesados. Tecnología desarrollada Siempre disponible No renovable Residuos Radioactiva Dependencia tecnológica Dependencia materias primas Tema 5 La energía

8 Hidráulica Velocidad del agua de los ríos El agua mueve una turbina conectada a alternador. altera el curso de los ríos. Precisa grandes obras Depende de caudal Eólica Velocidad del viento El aire mueve una turbina conectada a alternador. Altera el paisaje Afecta a las aves Solar térmica Potencia calorífica del sol El Sol calienta agua para calefacción y ACS Solar fotovoltaica Radiación solar La radiación solar sobre células fotovoltaicas produce c.c. Todavía cara Biomasa Poder calorífico de la biomasa La combustión produce vapor de agua que mueve una turbina que acciona un alternador No agota recursos fósiles Es barata Contamina Efecto Biogas Poder calorífico del biogas Barata Biocombustibles Poder calorífico de los biocombustibles (etanol y biodiesel) La combustión mueve motores de explosión No agota recursos fósiles Barata Geotérmica Calor interno de la tierra El calor interno vapor de agua que mueve una alternador Disponible pocos lugares en Maremotriz Subida del nivel de agua de las mareas El agua retenido en pleamar mueve una alternador Grandes instalaciones Tema 5 La energía

9 12. Fuentes de energía en estudio Tipo Energía Fuente Tecnología Ventajas Hidráulica Velocidad del agua de los ríos El agua mueve una turbina conectada a alternador. altera el curso de los ríos. Precisa grandes obras Depende del caudal Eólica Velocidad del viento El aire mueve una turbina conectada a alternador. Altera el paisaje Afecta a las aves Solar térmica Potencia calorífica del sol El Sol calienta agua para calefacción y ACS Solar fotovoltaica Radiación solar La radiación solar sobre células fotovoltaicas produce c.c. Todavía cara Biomasa Poder calorífico de la biomasa La combustión produce vapor de agua que mueve una turbina que acciona un alternador No agota recursos fósiles Es barata Contamina Efecto Tipo Fuente Tecnología Ventajas Todas ellas son inagotables Inconvenientes Biogas Poder calorífico del biogas Barata Biocombustibles Poder calorífico de los biocombustibles (etanol y biodiesel) La combustión mueve motores de explosión No agota recursos Barata Geotérmica Calor interno de la tierra El calor interno vapor de agua que mueve una alternador Disponible en pocos lugares Maremotriz Subida del nivel de agua de las mareas El agua retenido en pleamar mueve una alternador Grandes instalaciones Tema 5 La energía