Qué es la energía? Td el mund ha íd hablar de energía y seguramente tds hems utilizad la palabra energía en numersas casines, per sabems en realidad qué es la energía? Teniend en cuenta que existen distints tips de energía es muy difícil definirla, per sí que de frma general pdríams decir que: La energía es la capacidad que tiene un cuerp sistema físic de realizar trabaj transferir calr. Es decir, td sistema que tenga la capacidad de transfrmarse de transfrmar a trs, tiene energía de alguna clase. Tips de energía: Energía mecánica: Es la energía que psee un cuerp debid a su velcidad, a la psición que cupa en el espaci a la defrmación que experimenta. Según la transfrmación que tenga lugar, la energía mecánica puede ser: - Energía cinética: Es la energía que tienen ls cuerps pr el hech de estar en mvimient. Matemáticamente se expresa cm: E c = 1 m v2 2 E c es la energía cinética del cuerp en mvimient. Su unidad en el S.I. es el Juli (J). m es la masa del cuerp en mvimient. Su unidad en el S.I. es el kilgram (kg). v es la velcidad del cuerp móvil. Su unidad en el S.I. es el metr pr segund (m/s). - Energía ptencial gravitatria; Es la energía que tienen ls cuerps pr el hech de estar a una cierta altura cn respect al suel. Matemáticamente se expresa cm: E p = m g h E p es la energía ptencial del cuerp. Su unidad en el S.I. es el Juli (J). m es la masa del cuerp. Su unidad en el S.I. es el kilgram (kg). g es la aceleración de la gravedad. Su valr en la superficie terrestre es 9,8 m/s 2. h es la altura a la que se encuentra el cuerp cn respect al suel. Su unidad en el S.I. es el metr (m). 1
- Energía ptencial elástica. Es la energía almacenada pr ls cuerps elástics cuand sn defrmads pr una fuerza. // Este tip de energía n se estudiará este curs. Otrs tips de energía sn: - Energía radiante (luz). - Energía térmica (asciada al cncept de temperatura). - Energía nuclear. - Energía química (asciada a la frmación y ruptura de enlaces químics). - Etc Características de la energía: - La cantidad de energía se cnserva en cualquier prces. Permanece cnstante. - La energía se puede cnvertir de un tip a tr, se puede transfrmar. De la bservación de dichas prpiedades el físic alemán Helmhltz enuncia en 1847 la Ley de Cnservación de la Energía, que dice así: La energía n se crea ni se destruye, sl se transfrma. Qué es el trabaj? La energía de un cuerp sistema se mantiene cnstante hasta que dich cuerp interaccina cn tr y se prduce un intercambi de energía. Este intercambi de energía recibe distints nmbres en función del tip de energía que se intercambia. Si se intercambia energía mecánica, la energía transferida recibe el nmbre de trabaj mecánic, mientras que si se intercambia energía térmica (también llamada energía calrífica), la energía transferida recibe el nmbre de calr. Energía y trabaj se encuentran relacinads a través de la siguiente expresión: W = E = E final E inicial 2
- W es el trabaj realizad. Su unidad de medida en el S.I. es el Juli (J). - E, E f, E i sn increment de energía, energía final y energía inicial del prces respectivamente. Su unidad de medida en el S.I. es el Juli (J). Puede currir que: - El cuerp gane energía (E f > E i ) W > 0 Se realiza trabaj sbre el cuerp. - El cuerp pierda energía (E f < E i ) W < 0 El cuerp realiza trabaj sbre el sistema. - El cuerp ni gana ni pierde energía W = 0 N se realiza ni se recibe trabaj. Mientras que la energía representa la capacidad de ls cuerps de prducir una transfrmación en ells misms en el entrn, el trabaj representa el prces de transfrmación en sí. Siempre y cuand estas transfrmacines sean del tip mecánic (mdificar la velcidad psición de un cuerp), el trabaj se puede expresar cm: - W es el trabaj realizad pr la fuerza. W = F d - F es una fuerza cnstante. Su unidad de medida en el S.I. es el Newtn (N). - d es el desplazamient distancia recrrida. Su unidad de medida en el S.I. es el metr (m). Hay que tener en cuenta que n tda fuerza aplicada a un cuerp se utiliza en realizar un trabaj cncret. Pr ejempl, si y quier mver un cuerp en la dirección del eje X y para ell le aplic una fuerza cn un ciert ángul cn respect a la hrizntal, sól la cmpnente en X de la fuerza es la respnsable del mvimient del cuerp. W = F x d = F Cs d 3
Trabaj y energía en desplazamients verticales: Para elevar un cuerp a una cierta altura h, le teng que suministrar una cantidad de energía cinética suficiente cm para vencer la fuerza que realiza el pes del cuerp durante su ascens. El trabaj realizad pr el pes del cuerp durante su ascens viene dad pr: W Pes = P h = m g h El sign mens significa que el cuerp, debid a su prpi pes, va a ir perdiend energía cinética durante su ascens, hasta que desaparezca pr cmplet. Cm la energía n se puede destruir, l que curre es que la energía cinética inicial que psee el cuerp se va a ir transfrmand en energía ptencial, hasta llegar un mment en que el cuerp sól pseerá energía ptencial (cuand alcance la altura máxima). El pes del cuerp es una fuerza cnservativa, prque cuand quita energía cinética al cuerp n la transfrma en calr (irrecuperable), sin que la transfrma en energía ptencial que pdrá transfrmarse de nuev en energía cinética, así pues, durante el descens la energía ptencial del cuerp se irá transfrmand en energía cinética hasta llegar un mment en que el cuerp sól pseerá energía cinética (cuand alcance el suel). Estudi energétic de un desplazamient vertical sin tener en cuenta el rzamient: v = v máx E c = E c,máx h = 0 E P = 0 E T = E c v 0 E c 0 h 0 E P 0 E T = E c + E P v = 0 E c = 0 h = h máx E P = E P,máx E T = E P Tant en el ascens cm en el descens la energía ttal siempre se mantendrá cnstante: E T = E c + E p De existir rzamient (pérdidas de energía térmica), la energía ttal ha de permanecer cnstante, y pr l tant debe incluir la energía perdida en frma de calr debid al rzamient. E T = E c + E p + Q El trabaj realizad pr la fuerza de rzamient cnsumirá energía en frma de calr, según l siguiente: W Fr = F r h = Q perdid 4
Ptencia: La ptencia puede asciarse a la velcidad de un cambi de energía dentr de un sistema al tiemp que demra la cncreción de un trabaj. Matemáticamente puede expresarse cm: P = W t P = E t - P es la ptencia. Su unidad en el S.I. es el Juli/s, llamad vati (W). - W es el trabaj realizad. Su unidad en el S.I. es el Juli (J). - t es el tiemp durante el cual se desarrlla el trabaj. Su unidad en el S.I. es el segund (s). - E es la energía transferida. Su unidad en el S.I. es el Juli (J). Pr ejempl, cuand hablams de la ptencia de un cche ns referims a la capacidad del mtr de realizar el trabaj de desplazamient del cche en el menr tiemp psible, sin embarg cuand hablams de la ptencia de una bmbilla, ns referims a la capacidad de la bmbilla de absrber mayr cantidad de energía eléctrica de la red, y pr l tant de generar mayr cantidad de energía lumínica. Aunque la unidad de medida de la ptencia en el S.I. es el vati (W), también es muy habitual utilizar el caball de vapr (C.V.). La relación caball de vapr y vati viene dada pr: 1 C. V. = 735 W Máquinas térmicas (rendimient): Sn artefacts que aprvechan una fuente de calr para realizar un trabaj mecánic. Cm la eficiencia nunca llega a ser del 100%, parte del calr absrbid se perderá pr el camin (en frma de energía calrífica) y n pdrá ser utilizad para realizar el trabaj mecánic. RENDIMIENTO r = W Q 1 = Q 1 Q 2 Q 1 r(%) = W Q 1 100 5
Qué es el calr? La materia está frmada pr partículas muy pequeñas (átms, mléculas ines) que están en cnstante mvimient (rtación, traslación y vibración) debid a que pseen una determinada cantidad de energía cinética. Dicha energía cinética recibe el nmbre de energía térmica prque puede medirse cn la temperatura. De md general pdems decir que, a mayr temperatura, mayr energía de ese tip. Pues bien, ls cuerps y ls sistemas pueden intercambiar energía térmica. A esta energía en tránsit que pasa de un cuerp a tr (cuand están a distinta temperatura) se le denmina calr. Energía que se manifiesta pr un aument de temperatura y prcede de la transfrmación de tras energías. Es riginada pr ls mvimients vibratris de ls átms y las mléculas que frman ls cuerps. Frma de energía que se transfiere entre ds sistemas ( un sistema y sus alrededres) debid a una diferencia de temperatura. La transferencia de energía siempre tiene lugar del cuerp que se encuentra a mayr temperatura hacia el cuerp que se encuentra a menr temperatura. Si ds sistemas se encuentran a la misma temperatura están en equilibri térmic, pr l tant n habrá transferencia de energía entre ells. Diferencia entre calr y temperatura: Aunque pueda parecer extrañ, calr y temperatura n sn l mism. La temperatura es una prpiedad de tds ls cuerps mientras que el calr designa la transferencia de energía térmica entre ells. La temperatura de un sistema es la medida de la energía cinética media de sus partículas Vams a explicar est cn un ejempl: Imagina que cges ds llas que pueden cntener hasta un litr de agua. A la primera le añades un litr mientras que a la segunda le añades sl medi litr. Si las pnes a calentar en una llama de igual intensidad ambas alcanzarán la misma temperatura (100 ºC), per la primera ha necesitad más energía térmica (más tiemp calentand) que la segunda. Pr l tant calr (energía térmica transferida) y temperatura n sn l mism. El cer abslut: Es la temperatura a la cual las partículas n se mueven y se crrespnde cn - 273,15 ºC. En realidad n existe el cer abslut temperatura a la cual cesa td tip de mvimient, ya que se ha cmprbad experimentalmente que inclus a esa temperatura las partículas se mueven, aunque muy débilmente. Para cambiar de una escala a tra basta cn utilizar la siguiente ecuación: T(K) = T(ºC) + 273 El Sistema Internacinal de unidades establece al Kelvin cm unidad de referencia para medir temperaturas. 6
Expresión matemática del calr: Una sustancia n tiene calr, l que tiene es energía térmica, que es una parte de la energía interna del sistema. Matemáticamente se puede expresar cm: Q = m C e T - Q es el calr intercambiad. Su unidad de medida en el S.I. es el Juli (J). - m es la masa de la sustancia. Su unidad de medida en el S.I. es el kilgram (kg). - C e es el calr específic de la sustancia. Su unidad de medida en el S.I. es el Juli kg K - T es la variación de temperatura. Su unidad de medida en el S.I. es el Kelvin (K). Puede currir que; - El cuerp aumente su temperatura (T f > T i ) Q > 0 El cuerp absrbe/gana calr. - El cuerp disminuya su temperatura (T f < T i ) Q < 0 El cuerp cede/pierde calr. El calr específic es la cantidad de energía que hay que suministrar a un kilgram de una sustancia para elevar su temperatura en un grad (ºC K). Aunque la unidad de medida del calr en el S.I. es el Juli (J), también es muy habitual utilizar la calría (cal). La relación Juli y calría viene dada pr: 1 cal = 4,18 Julis Equilibri térmic: Cuand ds cuerps a distinta temperatura se pnen en cntact se inicia un prces de intercambi de calr que iguala sus temperaturas. Pr ejempl, si tienes un café demasiad caliente l que haces es añadirle un pc de leche fría para que quede templad. El café se habrá enfriad y la leche añadida se habrá calentad. Finalmente la mezcla (café caliente + leche fría añadida) tiene una temperatura intermedia. Se dice que ds cuerps están en equilibri térmic cuand están a la misma temperatura, y pr l tant n intercambian calr. La ecuación de equilibri térmic indica que el calr que absrbe un cuerp es igual al calr que cede el tr, es decir: Q abs = Q ced m A C e,a (T T A ) = M B C e,b (T T B ) m A C e,a (T T A ) = M B C e,b (T B T) 7
- m A y m B sn las masas de ls cuerps respectivamente. - C e,a y C e,b sn ls calres específics del cuerp A y del cuerp B respectivamente. - T A y T B sn las temperaturas iniciales del cuerp A y del cuerp B respectivamente. - T es la temperatura final de equilibri térmic. Su unidad de medida en el S.I. es el Kelvin (K). Ejercici de repas: Se tiene un recipiente que cntiene 3 litrs de agua a 20 ºC. Se añaden 2 litrs de agua a 60 ºC. Calcular la temperatura de la mezcla. (Dat: C e,agua = 4180 J/kg K). Sl. 36 ºC. Pder calrífic: //cntenid de ampliación Cantidad de energía que entrega un kilgram un metr cúbic de cmbustible al xidarse cmpletamente. Sus unidades pueden ser: (kj/kg); (cal/g); (kcal/m 3 ); etc Ejercici de ampliación: La cmbustión de 5 g de cque eleva la temperatura de un litr de agua desde 10 ºC hasta 47 ºC. Hallar el pder calrífic del cque. Sl. 7400 cal/g. Cambis en ls estads de agregación a cnsecuencia del calr: Otr efect del calr sbre ls cuerps, junt cn el cambi de temperatura, es el cambi en el estad de agregación de la materia. Recuerda que la materia puede presentarse esencialmente en tres estads frmas distintas, y que cada prces de cambi de estad tiene su prpi nmbre, tal y cm se indica en la siguiente figura: En el prces de cambi de estad, tda la energía que se absrbe se utiliza en realizar el cambi de estad, pr l que n hay un aument significativ de la temperatura hasta que n se cmplete la transfrmación. Veams cm ejempl la curva de calentamient para el agua: 8
Cm pdems bservar en la gráfica, durante un cambi de estad la temperatura permanece invariable. Así pr ejempl, si calentams una mezcla de agua líquida y hiel, la temperatura de la mezcla n empezará a aumentar hasta que n se haya derretid td el hiel. Tda la energía se utilizará en transfrmar el hiel en agua, y cuand n haya más hiel que transfrmar, las mléculas de agua líquida captarán la energía y se empezarán a mver a más velcidad. En un cambi de estad la energía absrbida n se emplea en aumentar la energía cinética de las mléculas, sin en rmper ls enlaces entre ellas. La cantidad de calr absrbida cedida durante un prces de cambi de estad viene dada pr la expresión: Q = m L - Q es el calr intercambiad. Su unidad de medida en el S.I. es el Juli (J). - m es la masa de la sustancia. Su unidad de medida en el S.I. es el kilgram (kg). - L es el calr latente calr de transfrmación. Su unidad de medida en el S.I. es el Juli/kg. El calr latente (L) es la energía requerida pr 1 kg de sustancia para que cambie de estad. Hay que tener en cuenta que el calr latente depende del tip de cambi de estad. Pr ejempl, para que el agua cambie de sólid (hiel) a líquid a 0 ºC se necesitan 334 10 3 J/kg, sin embarg para que cambie de líquid a vapr a 100 ºC se necesitan 2260 10 3 J/kg. Pr últim añadir que el cambi de estad es un prces reversible, es decir, la cantidad de calr absrbida en la transfrmación directa (prces endtérmic) es exactamente igual a la cantidad cedida en la transfrmación inversa (prces extérmic). 9