ENERGÍA 1. Concepto de energía distintos tipos de energías

Transcripción

1 ENERGÍA 1. Concepto de energía La energía es una magnitud de difícil definición, pero de gran utilidad. Para ser exactos, podríamos decir que más que de energía (en sentido general), deberíamos hablar de distintos tipos de energías, cada una de ellas definida convenientemente. De forma general podríamos decir: Es necesario transferir (dar o quitar) algún tipo de energía a un sistema para que se produzcan cambios en el mismo. Todo sistema que tenga capacidad para producir cambios, tiene energía de alguna clase. La energía se puede entender como la posibilidad que tiene un cuerpo de producir algún cambio, acción o efecto en sí mismo o sobre otro cuerpo. Tales cambios pueden ser movimiento, calentamiento, o alteraciones en el estado de dichos cuerpos. La energía interviene en todos los cambios que ocurren en el Universo, y se precisa para calentar, iluminar, deformar, mover, y para que la vida sea posible. 1

2 Ley de Conservación de la Energía La energía no se puede crear (sacar de la nada) ni destruir (aniquilar, hacerla desaparecer). Únicamente se puede transformar de una forma a otra. Si queremos disponer de determinada cantidad de una forma de energía sólo lo podremos conseguir transformando una cantidad equivalente de otra forma de energía.. Transferencia de energía Se puede decir que hay dos formas de transferir la energía entre los cuerpos, o dicho de otra forma, que la energía produce dos tipos de acciones o cambios sobre los cuerpos: trabajo, calor y radiación..1 Trabajo El trabajo es una de las formas de transferir la energía de un cuerpo a otro. Consiste en aplicar una fuerza sobre un cuerpo para conseguir su movimiento. El trabajo se puede calcular aplicando la siguiente ecuación: W = F. Δx Donde: W = Trabajo de la fuerza F; F = Fuerza aplicada; Δx = Desplazamiento. Unidades: [W] = [F]. [d] = N. m = J Joule Si la dirección de la fuerza aplicada no coincida con la del desplazamiento: Δx Donde: W = Energía cinética transferida al cuerpo. Se le da el nombre de trabajo de la fuerza F. F = Fuerza aplicada. Δx = Desplazamiento. cos a = Coseno del ángulo formado por la fuerza y el sentido del desplazamiento. Consideremos los tres casos siguientes: Fuerza en el mismo sentido que el desplazamiento: W = F. Δx. cos 0º = F. Δx ; W = F. Δx Fuerza en sentido contrario al desplazamiento: W = F. Δx. cos 180º = - F. Δx ; W = - F. Δx Fuerza perpendicular al desplazamiento: W = F. Δx. cos 90º = 0 ; W = 0

3 Es decir: para que la energía se transfiera o libere en forma de trabajo, es necesario ejercer una fuerza que produzca un cambio en forma de desplazamiento. Fuerza y movimiento son los elementos fundamentales del trabajo. Si no existe fuerza, desplazamiento, o ninguno de ellos, no puede existir trabajo. Ejemplo: Para elevar una piedra por una pendiente, una persona debe ceder parte de su energía a la piedra en forma de trabajo (aplicación de una fuerza suficiente para desplazar la piedra pendiente arriba). La piedra ha recibido energía en forma de trabajo, que puede liberar de nuevo para rodar pendiente abajo.. Calor Otra de las formas de transferir la energía entre los cuerpos es en forma de calor. Ejemplo 1: la energía del Sol se transfiere al agua del mar en forma de calor, incrementando su temperatura (es decir, calentándola). Ejemplo : al frotar las manos, parte de nuestra energía se transfiere en forma de movimiento a las manos (trabajo), y parte se transfiere en forma de calor. Además, el calor aparece en casi todas las trasferencias o transformaciones de energía como un efecto indeseado, que provoca degradaciones y pérdidas de energía. CUESTIONARIO DE TRABAJO Y ENERGÍA 1) Define con tus propias palabras qué se entiende por energía. ) Se quiere transferir energía de un cuerpo 1 a un cuerpo, con la intención de provocar algún cambio o efecto en el cuerpo. Qué formas hay de transferir energía entre dos cuerpos? 3) Qué dos condiciones se deben cumplir para se realice trabajo sobre un cuerpo? 4) Debes mover unas cajas muy pesadas de una habitación a otra, pero pesan tanto que por mucha fuerza que haces, no consigues moverlas. a) Has realizado un esfuerzo? b) Se ha producido trabajo? c) Explica la diferencia entre trabajo y esfuerzo. 5) Imagina que vas en bicicleta por un terreno llano: a) Qué debes hacer para desplazarte en bicicleta? b) Estás realizando un trabajo? Razona tu respuesta. c) Si dejas de pedalear un momento, la bicicleta se para instantáneamente? Por qué? d) Si dejas de pedalear definitivamente, la bicicleta seguirá avanzando para siempre? Por qué? e) Al andar en bicicleta mucho tiempo te cansas, por qué? 6) El trabajo se mide en Julios (J), la fuerza en Newtons (N), y el desplazamiento en metros (m). Cuánto trabajo desarrollas sobre un taburete si, aplicando una fuerza de 15 Newtons, el taburete se desplaza 0,5 metros? 3. Potencia mecánica La potencia es una medida de la rapidez con que se realiza trabajo y se determina operacionalmente como la razón entre el trabajo realizado y el tiempo empelado en realizar dicho trabajo, es decir: 3

4 Las unidades de la potencia están dadas por: P = W t [P] = [W] [t] = watt La unidad de potencia en el S. I. es el Julio/s, llamado vatio (en honor de James Watt), aunque en la práctica también se usa el caballo de vapor (CV) 1 CV = 735 W Según lo dicho, una bombilla (ideal) de 100 W será capaz de generar energía luminosa (de transformar laenergía eléctrica en energía luminosa) a razón de 100 J por segundo. Ejemplo: Supón que se traslada un mueble del modo que se ilustra en la figura. Si la fuerza F que aplicas es 00 N y el desplazamiento d que produces en el mueble es 10 m, entonces, el trabajo que realizas es: W = F. Δx = 00 N. 10 m = 000 J Ahora bien, este trabajo lo puedes realizar en diferentes tiempos. Si en trasladar el mueble te demoras 10 s, entonces la potencia que desarrollas es: P = W t En cambio, si lo haces lentamente y demorándote 40 s, la potencia que desarrollarás será de 50 watt, aunque el trabajo seguirá siendo el mismo. Compruébalo. Ejemplo Comparar la energía emitida por una bombilla de 100 W y una de 60 W. Solución: Una bombilla de 100 W consume energía (es decir, transforma energía eléctrica que toma de la red en luz) mucho más rápidamente que una de 40 W. Por ejemplo, al cabo de 1 hora de funcionamiento: Energía consumida por la bombilla de 100 W: Energía consumida por la bombilla de 60 W: J E P t s s J E P t s s J 3,6 10 J J 1,4 10 J 4. Energía mecánica La energía mecánica es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento y/o posición. De acuerdo con esto hablamos de energía cinética o energía potencial gravitatoria. 4.1 Energía cinética Una de las formas fundamentales de la energía es la energía cinética. Se denomina energía cinética a la que poseen los cuerpos en movimiento. Depende de la masa y de la velocidad y se define como: E cin 1 m v 4

5 La unidad S.I de energía es el julio (J) que toma el nombre de James P. Joule, físico del siglo XIX autor de numerosos estudios sobre el calor. De esta manera un cuerpo de kg de masa que se mueva con una velocidad de 1 m/s tiene una energía cinética de 1 J: 1 1 m m Ec m v kg 1 1kg 1J s s Ejemplo 1 Calcula la energía cinética de un vehículo de 1000 kg de masa que circula a una velocidad de 10 km/h. Solución: Se extraen los datos del enunciado. Son los siguientes: m = 1000 kg; v = 10 km/h; Ec =? Todas las magnitudes deben tener unidades del SI, en este caso es necesario convertir 10 km/h en m/s. 10 km h = 10 km 1 h = m 3600 s = 33,3 m/s Una vez que tenemos todas las magnitudes en el SI sustituimos en la fórmula: Ec = 1 m. v = kg. (33,3 m s ) = J Ejemplo Determinar el tipo de energía del cuerpo de la figura (m = 400 g) en el estado inicia, en el final y su velocidad después de recorrer 5 m. La fuerza F tiene un valor de 6 N. v 1 = 3 m/s v? F = Δx F Solución: Determinamos la energía del cuerpo en el estado inicial, la energía transferida por las fuerzas que actúan y, aplicando la Ley de Conservación de la Energía, calculamos la energía en el estado final. Calculamos la energía cinética inicial: Estado inicial. El cuerpo tiene energía cinética: Calculamos el trabajo, es decir, la energía cinética transferida por la fuerza: W F = F. Δx = 6 N. 5 m = 30,0 J. Aplicando la Ley de Conservación de la Energía: E fin = E ini + W ; E fin = 1,8 J + 30,0 J = 31,8 J En el punto final el cuerpo tendrá 31,8 J de energía será cinética. Por tanto: 1 1 m Ecin (1) m v 0,4 kg 3 1,8 J s 1 E.31,8 J m E m v ; v 1,6 m 0,400 kg s c() cin () Como indica el resultado obtenido se ha E. dada W F = 30, 0 J producido un aumento de la energía cinética del cuerpo (y por tanto de su velocidad) gracias al aporte de energía realizado por la fuerza. Inicial E c(1) = 1, 8 J Final E c() = 31, 8 J 5

6 4. Energía potencial Es la energía que posee un cuerpo debido a la altura a la que se encuentra sobre la Tierra. Operacionalmente esta energía se determina como: Ep = m. g. h Donde m es la masa del cuerpo, g la aceleración de gravedad y h la altura a la que se encuentra; sus unidades están dadas por: [Ep] = [m]. [g]. [h] = kg. m/s. m = J Se cumple que la energía mecánica es la suma de la energía cinética más la energía potencial: Ejemplo: Em = Ec + Ep Calcula la energía potencial de un saltador de trampolín si su masa es de 50 kg y está sobre un trampolín de 1 m de altura sobre la superficie del agua. Solución: Se extraen los datos del enunciado. Son los siguientes: m = 50 kg; h = 1 m; Ep =? Todos los datos se encuentran en unidades del SI; por tanto, sustituimos en la fórmula: Ep = m g h = 50 kg. 9,8 m/s. 1 m = 5880 J 5. Fuentes de energía 5.1 Fuentes de energía primarias y secundarias Se denomina fuente de energía primaria a la energía disponible en la naturaleza, en variadas formas, que puede ser utilizada por los seres humanos para realizar actividades, transformarla, almacenarla y transportarla. Algunas fuentes se pueden usar en forma directa, como el viento que impulsa una embarcación; otras, después de un proceso de extracción y transformación, como ocurre con el petróleo del cual se extrae el combustible que utilizan los automóviles. Las fuentes de energía primaria se distinguen por ser recursos naturales como el viento, las radiaciones del Sol, el agua en movimiento, el carbón, el uranio, el gas natural, el petróleo, la leña, el bagazo y otros residuos vegetales. Las fuentes de energía secundaria, en cambio, son el resultado de transformaciones de las fuentes de energía primaria y no se encuentran presentes en la naturaleza como recursos, sino que son generados a partir de estos. Entre las fuentes secundarias se distinguen la electricidad y los derivados del petróleo (nafta, gasoil, fueloil, etcétera). Las sociedades actuales se caracterizan por un alto consumo de fuentes de energía secundaria producidas en centrales de generación eléctrica y refinerías de petróleo. Una fuente de energía secundaria que todavía no tiene un volumen de uso significativo es el hidrógeno H. El hidrógeno en estado libre se utiliza en las celdas de combustibles, que generan electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno, y se pueden utilizar para alimentar un automóvil eléctrico, entre otros usos. La electricidad es una fuente de energía secundaria que puede ser generada a partir de varias fuentes de energía primaria: en las centrales térmicas convencionales, se utiliza carbón, gas, fueloil o gasoil; en las centrales nucleares, se utiliza uranio 35; en las centrales hidroeléctricas, se utiliza la energía del agua en movimiento; en los parques eólicos, se utiliza la energía del viento; en las centrales geotérmicas, se utiliza el calor del centro de la Tierra; en los paneles solares, se utiliza la energía del sol. 5. Fuentes de energía renovables y no renovables Las fuentes de energía primaria se pueden dividir en dos grupos: renovables (que no se agotan por el uso) y no renovables (que se consumen al utilizarlas). 6

7 Entre las fuentes no renovables se distinguen los combustibles fósiles (el petróleo, el gas y el carbón) y el uranio, que se utiliza como fuente para la energía nuclear. En la Argentina, los hidrocarburos (el petróleo y el gas natural) son la principal fuente de energía utilizada y resultan indispensables para el desarrollo del país. El petróleo, además de ser fundamental para el transporte, es la materia prima básica para elaborar una gran cantidad de productos de uso cotidiano. El gas es necesario para los hogares, la industria y las centrales termoeléctricas. Si bien estos combustibles tienen origen biológico, se los considera no renovables porque el proceso de formación tarda cientos de millones de años en completarse. En la actualidad, la producción los recursos convencionales de gas y petróleo está llegando a un máximo. Por eso, el aumento de la demanda mundial de hidrocarburos se cubre con la explotación de recursos no convencionales. Gracias a las mejoras en la tecnología disponible, es posible extraer los recursos alojados en formaciones geológicas conocidas como shale o esquisto. A nivel mundial, la Argentina es uno de los países con mayor cantidad de este tipo de recursos. Otra fuente no renovable de energía es el uranio, que es un elemento radiactivo que libera gran cantidad de energía cuando el núcleo se parte, en un proceso llamado fisión, al ser alcanzado por un neutrón. Esta energía se libera en forma de calor, que se utiliza para producir vapor con el objetivo de mover una turbina que genera electricidad. Las fuentes de energía renovables son fuentes de energía inagotables. Entre las fuentes renovables se encuentran la energía solar, que puede transformarse en electricidad o calor para calentar agua; la eólica, que se utiliza para generar electricidad o para bombear agua; la geotérmica, que es el aprovechamiento del calor interior de la Tierra y se utiliza para generar electricidad; la biomasa, que incluye la leña, el bioetanol y el biodiesel, y la hidráulica, que se usa para generar electricidad. Hay otras fuentes que todavía están en una fase experimental, como la energía mareomotriz, que permite la obtención de electricidad a partir del aprovechamiento del movimiento de las mareas. La limitación de las fuentes renovables es que su disponibilidad depende de cuestiones climáticas o de los ciclos de la naturaleza. Por eso, con la tecnología actual, se las considera fuentes alternativas y complementarias a los recursos no renovables, ya que la forma de vida actual requiere contar con energía de manera permanente. Referencias bibliográficas: Los recursos naturales y sus transformaciones energéticas. ENERGÍAS DE MI PAÍS. Educ.ar y Fundación YPF. 7