Energía y trabajo Todos los sistemas físicos poseen energía aunque no se esté produciendo ninguna transformación en ellos. Esta energía se transfiere de unos cuerpos a otros, esta transferencia produce cambios en los sistemas físicos implicados. El trabajo y el calor son métodos o procedimientos para transmitir energía entre sistemas. Un sistema pude transferir energía a otro realizando un trabajo, es decir, ejerciendo una fuerza sobre él a lo largo de un recorrido. Un sistema puede transferir energía a otro mediante calor, siempre que haya una diferencia de temperatura entre ellos. Pero, existe otro mecanismo de transmisión de energía: la radiación o energía radiante. En este método se aúnan las capacidades de todos los cuerpos de emitir y absorber ondas electromagnéticas. En el Sistema Internacional (SI) la unidad de medida de energía es el Julio (J). 1J = 1N m Energía potencial Es la forma de energía asociada a la posición de un cuerpo o a los cambios de posición. Para que un cuerpo adquiera mayor energía potencial hay que transferirle una energía que permita llevarle desde la posición inicial hasta la final. Esta energía aplicada se almacena como energía potencial y luego es la encargada de producir cambios o transformaciones. De modo involuntario, todos los sistemas físicos tienden a ocupar la posición donde tienen la mínima energía potencial. Existen dos formas comunes de energía potencial: Energía potencial elástica (muelle comprimido). Energía potencial gravitatoria (agua de un embalse). Energía potencial gravitatoria Los cuerpos poseen energía potencial gravitatoria cuando están situados a una cierta altura del suelo. Esta energía se puede transferir a otros sistemas y producir cambios y transformaciones en ellos. Energía potencial: energía de un cuerpo o sistema físico debido a su posición con respecto al centro de la Tierra. La energía potencial gravitatoria depende de la masa del objeto y de la altura a la que se encuentre. E p = m g E p = E p E p0 = m g m g 0 = m g ( 0 ) Por convenio todos los cuerpos que se encuentran en el suelo poseen E p = 0. Ej.: Un cuerpo de 14Kg que se hallaba en el suelo, es levantado y colocado en una estantería a 85cm. Cuál ha sido la variación de E p? m = 14Kg h 0 = 0m h f = 0 85m (SI) E p? E p = m g 0 = 14Kg 9 8 m s 0 85m 0m = 116 6J Sol.: el cuerpo ha aumentado su energía potencial en 116 6J. Energía cinética Energía cinética: es la forma de energía asociada a la velocidad de un cuerpo. Depende del cuadrado de su velocidad y de la masa del cuerpo. E c = 1 m m v v = Ej.: Calcula la energía cinética de una moto de 10Kg que viaja a 90km/h. m = 10Kg v = 5m/s (SI) E c? m v E c = = 10Kg (5 m s) = 75000 Nm = 37500J Sol.: la moto posee una energía cinética de 37500J.
Principio de conservación de la energía mecánica La energía mecánica es la energía que posee un cuerpo debido a su velocidad (E c ) y a su posición (E p ). La energía mecánica total (E MT ) de un cuerpo es la suma de su energía cinética y su energía potencial. E MT = E c + E p En ausencia de rozamiento podemos determinar que la energía mecánica del cuerpo es constante. E MT = cte El trabajo mecánico En el ámbito físico el trabajo existe cuando se desplaza el punto de aplicación de una fuerza una distancia. W = F e Siendo F la fuerza aplicada y e el espacio recorrido o desplazamiento. Esta expresión es válida cuando la aplicación de la fuerza y el desplazamiento tienen la misma dirección. Pero existe otro modo de aplicación de la fuerza no paralelo a la dirección del desplazamiento. En ese momento deberemos de hallar la fuerza resultante aplicada. El trabajo es una magnitud escalar, y puede ser: Positivo: cuando incrementa la energía del cuerpo. Nulo: cuando la fuerza es perpendicular a la dirección del desplazamiento (fuerza centrípeta). Negativo: cuando disminuye la energía del cuerpo. La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el Julio (1J = 1Nm) Trabajo y energía potencial Para elevar un cuerpo de masa m desde una altura inicial h 0 hasta una altura final h f, se precisa aplicar una fuerza m g que equilibre el peso de cuerpo y desplace el punto de aplicación de la fuerza a lo largo de la distancia h f h 0. El trabajo del cuerpo será el siguiente: W = m g f 0 Por tanto al aplicar esta fórmula y analizarla vemos que el trabajo aumenta la energía potencial gravitatoria del cuerpo: W = m g f m g 0 = E pf E p0 = E p Trabajo y energía cinética Sobre un cuerpo que se mueve a una velocidad v 0 se aplica una fuerza constante F a lo largo de una distancia e (e f e 0 ). La velocidad final del móvil (v f ) viene expresada por: v f v 0 = a e Siendo a aceleración. Ahora multiplicamos por 1 m, siendo m la masa del cuerpo: m v f m v 0 a e m = ; m v f m v 0 = a m e Ahora, aplicamos el segundo principio de la dinámica: F = m a m v f m v 0 = F e ; m v f m v 0 = W Por lo tanto podemos determinar: E cf E c0 = W ; W = E c
La expresión a la que hemos llegado se denomina Teoría de la Energía Cinética o de las Fuerzas Vivas y, enuncia que: El trabajo realizado por la fuerza resultante sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética. La disipación de la energía y el rendimiento Las máquinas no transforman en trabajo útil toda la energía suministrada, sino que hay una parte de energía que se disipa en modo de calor (energía inútil), este calor es provocado por el rozamiento de las piezas que componen el sistema. El rendimiento de una máquina es el porcentaje de energía que transforman en energía útil. r = η (rendimiento = eta: simbología griega) W útil 100 η = Eg. suministrada Ej.: Una grúa consume 4089000J para levantar un cuerpo de 1t del suelo a 180m de altura. Qué rendimiento posee la máquina? Eg. Suministrada = 4089000J m = 1000Kg h = 180m W = m g = 1000Kg 9 8 m s 180m = 1764000J W útil = 1 764 000J W útil 100 1764000J 100 η = = = 43 15% Eg. suministrada 4089000J Sol.: la grúa posee un rendimiento del 43 15% (rendimiento muy bajo, porque más de la mitad de energía suministrada se disipa en modo de calor). La potencia mecánica Potencia mecánica: magnitud que mide la rapidez con que se transfiere la energía mediante trabajo. P = W t En el Sistema Internacional la unidad de medida es el vatio (W). Un sistema tiene una potencia de 1W cuando realiza un trabajo de 1J en 1s. 1KW = 1KW 1 = 1000 J s 3600s = 3 6 10 6 J 1KW = 1000W 1MW = 10 6 W 1CV = 735W Equilibrio térmico Cuando se ponen en contacto dos cuerpos a diferentes temperaturas, el cuerpo caliente transfiere energía al frío hasta que sus temperaturas se igualan. Entonces deja de transferirse energía y se dice que ambos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico. Temperatura: magnitud común a dos cuerpos en equilibrio térmico. Esta temperatura no es la media aritmética, porque interviene otros factores. En el caso de objetos del mismo material y en el mismo volumen se podría llegar a la temperatura media. La teoría cinética y el movimiento térmico Siguiendo la Teoría Cinético Atómico Molecular determinamos que: La materia está formada por pequeñas partículas que ejercen fuerzas entre sí. Estas partículas experimentan un movimiento continuo y desordenado denominado movimiento térmico. Todas las partículas poseen energía cinética debido al movimiento térmico y, energía potencial, a causa de las fuerzas de interacción entre ellas. En la superficie de contacto entre los cuerpos, las partículas más rápidas trasfieren energía a las más lentas al chocar con ellas y la energía pasa al interior de los cuerpos mediante choques de partículas. La temperatura media de un cuerpo es proporcional a la energía cinética media de sus partículas.
El calor como forma de transferencia energética El equilibrio térmico se caracteriza por los siguientes hechos: La energía se transfiere del cuerpo con mayor temperatura (E ced ) al cuerpo con menor temperatura (E abs ). La energía interna del cuerpo frío ha aumentado y la de la caliente ha disminuido. En el equilibrio térmico ambos cuerpos cuentan con la misma temperatura y, por lo tanto, igual energía cinética. Calor: proceso de trasferencia de energía de un cuerpo a otro como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ellos. Hay tres procedimientos de transferencia de energía mediante calor: Conducción: propagación calorífica sin desplazamiento de materia (mediante choques de partículas). Convección: propagación calorífica con desplazamiento de materia (producida en los fluidos, donde las partes del cuerpo que reciben energía aumentan de volumen, se vuelven menos densas y ascienden; y en las partes frías son más densas y bajan ocupando las zonas libres). Radiación: propagación de energía mediante ondas electromagnéticas. Medida de la temperatura La sensación de calor o frío depende de quién toque el objeto y de su conductividad. Para determinar la temperatura de un cuerpo de modo exhaustivo empleamos un termómetro, el cual posee alguna propiedad observable (generalmente una escala graduada) que varía conforme a la temperatura. El termómetro más conciso y veraz es el de mercurio, compuesto por un depósito de mercurio conectado con un tubo graduado, cuando el mercurio se calienta asciende por el tubo y determina la temperatura. Escalas termométricas Existen actualmente tres escalas diferentes para medir la temperatura, pero sólo una de ellas es la aceptada internacionalmente. Escala Celsius: ideada por el científico sueco Anders Celsius, que determino 0ºC a la temperatura de fusión del agua y 100ºC a la temperatura de ebullición. Escala Fahrenheit: ideada por el científico holandés Gabriel Fahrenheit, utilizada únicamente en los países anglosajones. Fahrenheit determinó 3ºF a la temperatura de fusión del agua y 1ºF a su punto de ebullición. Escala Kelvin (SI): el cero de esta escala es el cero absoluto (0K), punto en el cual las partículas de los objetos carecen de movimiento. RELACIONES ESCALARES T 3 5 T = 9 T 9 3 T = 5 T K = T + 73 15 Capacidad calorífica y calor específico Si dos cuerpos de sustancias distintas pero de igual masa se ponen en contacto con el mismo foco calorífico, experimentan incrementos de temperatura diferentes. Se dice entonces que poseen distinta capacidad calorífica.
Capacidad calorífica: cantidad de energía que hay que trasferir caloríficamente a un cuerpo para que su temperatura aumente un kelvin. Su valor depende de la masa del cuerpo y de la sustancia de la que está formado. Se mide en J K. Calor específico: energía que absorbe una sustancia de 1Kg mediante calor para aumentar 1K su temperatura. La energía que hay que trasferir mediante calor Q a un cuerpo de masa m para elevar su temperatura de t 0 a t f es: Q = m c e t f t 0 La unidad en el Sistema Internacional de calor específico es J Kg -1 K -1. Como consecuencia del principio de conservación de la energía, si dos cuerpos intercambian energía mediante calor, la energía cedida por uno de ellos (negativa) es igual a la absorbida por el otro (positiva): Q abs = Q ced Variación de temperatura y cambios de estado Al trasferir energía mediante calor a una sustancia sólida o líquida, aumenta su temperatura porque se incrementa la energía cinética media de sus partículas. En el momento en el que la energía cinética no puede aumentar más, toda la energía se emplea en incrementar la energía potencial de las partículas, lo que debilita las fuerzas de atracción entre ellas y produce un cambio de estado. Los cambios de estado pueden deberse a una absorción o cesión de energía: Las sustancias absorben energía cuando experimentan los procesos de fusión y de vaporización. Las sustancias ceden energía en la solidificación y en la condensación. Durante un cambio de estado la temperatura de una sustancia pura permanece constante. La energía Q que interviene en un cambio de estado depende de las características de la sustancia y de su masa: Q = L m L es una constante característica de cada sustancia, denominada calor latente de cambio de estado. Y, obviamente, por cada sustancia hay dos constantes diferentes: Calor latente de cambio de estado de la fusión y la solidificación (L f ). Calor latente de cambio de estado de la vaporización y la condensación (L v ).