Base para la energía y trabajo

ENERGÍA: CONCEPTO, PROPIEDADES Y TIPOS

Este trabajo se basa en el uso de la enegia y como se tranforma el trabajo en otras formas, de hay que la energía es una propiedad que tienen los cuerpos, que por alguna causa, les permite generar o producir cambios en ellos mismos, en otros cuerpos o en ambos a la vez.

Ejemplo: Si a una chica, se la deja caer desde una cierta altura sobre una cama elástica, en ella se da un cambio de velocidad, y cuando llegue a la cama una deformación de ésta. Por estar a una cierta altura en el campo gravitatorio terrestre, puede producir un cambio en su velocidad y en la forma de la cama, es decir, por estar a una cierta altura la chica tiene energía.

En el sistema internacional (S.I.) la energía se mide en Julios (J). Para algunos tipos de energía se utilizan otras unidades, por ejemplo para el calor o energía calorífica es común utilizar también la caloria (cal).

1 J = 0,24 cal

La energía se transfiere de unos cuerpos a otros, de forma que se puede almacenar en unos para cederla a otros, esta transmisión puede ser directa –como en el ejemplo anterior entre la chica y la cama- a través de un tercer cuerpo –la energía eléctrica se transporta a través del tendido eléctrico- o a distancia, como en las radiaciones electromagnéticas, luz, microondas, rayos x,…La energía al pasar de un cuerpo a otro puede transformarse en otro tipo de energía, pero siempre se conserva, la energía se conserva, ni se crea ni se destruye, se transforma en otros tipos de energía y se transfiere de unos cuerpos a otros: Principio de conservación de la energía.

Las causas por las que un cuerpo tiene energía son muy diversas, dando lugar a lo que denominamos distintos tipos de energía. Algunos de los más relevantes son los siguientes:

Energía mecánica (Em): Es la suma de la energía cinética (Ec) más la energía potencial (Ep).

Em = Ec + Ep

La energía cinética es la que tienen los cuerpos por el hecho de tener una velocidad, su valor no depende solo de su velocidad, sino también, de la masa con la que se mueve ese cuerpo:

Ec = m v2

La energía potencial es la energía que tienen los cuerpos por ocupar una determinada posición en un campo de fuerzas, como por ejemplo, el gravitatorio o eléctrico.

Si consideramos que en el campo gravitatorio terrestre, la energía potencial tiene un valor cero en la superficie de la Tierra, la expresión que nos da la energía potencial gravitatoria terrestre en puntos relativamente cercanos a la superficie de la Tierra es:

Ep = m g h

siendo m la masa del cuerpo, g la aceleración de la gravedad y h la altura a la que se encuentra el cuerpo.

Energía eléctrica: Es la que tienen los cuerpos cuando por ellos circulan cargas eléctricas.

Energía química: Es la energía que se pone de manifiesto cuando se realiza una reacción química como consecuencia de la ruptura y formación de enlaces entre los átomos que forman las sustancias.

Energía nuclear: Es la energía que emiten los átomos cuando sus núcleos se unen (energía de fusión nuclear) o se rompen (energía de fisión nuclear).

Energía radiante: Es la energía que transmiten las ondas electromagnéticas, como la luz. Son ejemplos de energía radiante la energía solar, la de los microondas, los rayos X, etc.

En este curso vamos a resaltar el estudio de la energía mecánica, concretamente la cinética y potencial gravitatoria a niveles cercanos a la superficie terrestre, y el de una energía que merece una pregunta a parte y que veremos más adelante: La energía interna y el Calor.

Para terminar con esta pregunta, hemos de indicar que aunque la energía se transfiere unos cuerpos a otros transformándose de un tipo de energía a otro, no todas las energías se transfieren y transforman de la misma facilidad. Por ejemplo, en cualquier tipo de transferencia parte de la energía se va a transformar en Calor, y una energía a partir de la cual es relativamente fácil transformarla en otras, y por ello muy útil, es la eléctrica. Por este motivo, en nuestra sociedad, un objetivo prioritario es la obtención de energía eléctrica a partir de otros tipos de energía.

A las energías podemos clasificarlas principalmente en renovables o no renovables y en contaminantes o limpias. Si en la naturaleza se encuentran en forma limitada, como la energía química que contiene el carbón o el petróleo, se dice que es no renovable, y si esta en forma ilimitada, como la energía cinética que tiene el viento, se dice que es renovable. Si al utilizarlas producen residuos contaminantes, como la energía nuclear, se dice que es contaminante, y si no lo hace, como la energía cinética del viento (energía eólica) o la energía radiante del sol (energía solar) se dice que son limpias.

CONCEPTO DE TRABAJO

Cuando un cuerpo transfiere energía a otro, al aplicarle una fuerza que le provoca un desplazamiento, se dice que el primero ha realizado un trabajo sobre el segundo. Es decir, va a ser lo mismo indicar que un cuerpo ha realizado un trabajo sobre otro, que indicar que al desplazarlo el primero ha perdido energía por cedérsela al segundo o que el segundo la ha ganado.

Observación: En el lenguaje habitual, el de la vida cotidiana, el término trabajo esta asociado a la idea de esfuerzo. Si intento levantar una piedra de 200 Kg haré un esfuerzo muy grande (en lenguaje habitual un gran trabajo), pero no realizaré trabajo alguno, ya que no le desplazo.

El trabajo, generalmente se simboliza por la letra W, al ser una variación de energía tiene sus mismas unidades, es decir, en el sistema internacional se mide en Julios (J).

El trabajo es una variación de energía, pero cuando al desplazar al cuerpo se hace, durante todo el recorrido, una fuerza constante se puede calcular multiplicando:

W = F · s · cos a

siendo F el valor de la fuerza realizada, s el espacio recorrido y a el ángulo entre el vector fuerza y la dirección del desplazamiento, en el caso de que estas direcciones coincidan a = 0, y su coseno es uno, quedándonos W = F · s.

EL TRABAJO Y LA ENERGÍA MECÁNICA

1) Si sobre un cuerpo realizamos una Fuerza exterior y se desplaza decimos que hemos realizado sobre él un trabajo. Como consecuencia de ese desplazamiento han podido suceder dos cosas, o las dos, que cambie su velocidad o su altura, es decir, que modifique su energía cinética o su energía potencial, en resumidas cuentas que varíe su energía mecánica.

Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza que provoca un desplazamiento con cambios en su velocidad y en su posición, el trabajo realizado es igual a la variación de energía mecánica que experimenta el cuerpo.

W = ?Em = ( Ec + Ep )Final – ( Ec + Ep )Inicial

A- Supongamos que al realizarse el desplazamiento no se modifica la altura, en este caso la Ep final e inicial son iguales, quedándonos:

Es decir, si no se modifica la altura: W = ?Ec , expresión conocida como teorema de las fuerzas vivas.

B- Supongamos ahora el caso contrario, que al realizar la fuerza se produzca un desplazamiento en el que no varíe la velocidad, pero si la altura, tendríamos:

2) Para finalizar, ¿qué ocurriría si un cuerpo se desplaza sin realizar ninguna fuerza exterior?, por ejemplo, cuando está a una cierta altura y se le deja caer por su propio peso. Sencillamente que no hay trabajo o que este es cero, W = 0. No hay trabajo al no haber fuerzas exteriores, pero en este ejemplo si hay desplazamiento, cumpliéndose:

0 = ?Em ( EmFinal = EmInicial ( La Em es constante, siempre tiene el mismo valor

Es lo que conocemos como Principio de conservación de la Energía mecánica: Si un cuerpo se desplaza y durante el recorrido no se realiza ninguna fuerza exterior su Energía mecánica se conserva o es constante a lo largo de todo el recorrido, de manera que lo que aumenta la energía cinética, lo disminuye la potencial, o viceversa.

?Em = Cte. ( EmFinal = EmInicial , o bien, ?Ep = – ?Ec lo que aumenta una lo disminuye la otra.

LA POTENCIA

Cuando un cuerpo (una máquina) realiza un trabajo (o cede una energía) desplazando a otro cuerpo, no solo interesa que trabajo realiza o energía le cede, sino también el tiempo que tarda en hacerlo.

La potencia P es una magnitud física que relaciona el trabajo realizado (o energía aportada) con el tiempo que se emplea en ello, es el trabajo realizado por unidad de tiempo o trabajo realizado entre el tiempo tardado en realizarlo:

Por ejemplo, decimos que un coche (su motor, que sería el cuerpo que hace el trabajo) es más potente si es capaz de pasar (a su estructura, lo que sería el segundo cuerpo) de 0 a 100 Km/h en menos tiempo.

Sus unidades en el S.I. serían Julios entre segundo, pero a esto se le denomina vatio (w).

No obstante, en la industria se emplean otras unidades. Las más relevantes son:

Los Kilovatios Kw, son simplemente un múltiplo del vatio: 1 Kw = 1000 w

Los caballos de vapor (CV). En el mundo del motor es muy común utilizar esta unidad de potencia. 1 CV = 736 w

También es frecuente, en el consumo de energía eléctrica, medir la energía suministrada, o trabajo realizado, a partir de la expresión de potencia, es decir, en Kilovatios hora (Kw·h). El Kw·h no es una unidad de potencia, es una unidad de trabajo, ya que despejando en la expresión citada W = P · t, y si ponemos la potencia en Kw y el tiempo en horas tendremos el trabajo en Kwh

LA ENERGÍA INTERNA Y EL CALOR

Cualquier cuerpo material está formado por partículas, iones, moléculas o átomos, formados por otras partículas elementales, teutones, protones y electrones. Las partículas que forman la materia, en su interior, incluso en los sólidos, están en continuo movimiento, es decir, van a tener una energía cinética, pero por la posición que ocupan unas respecto de las otras también tienen energía potencial.

Se denomina energía interna de un cuerpo a la suma de todas las energías cinética y potencial de cada una de las partículas que lo forman.

Para un cuerpo determinado, cuanto mayor es la velocidad de sus partículas, cuanto mayor es su energía cinética, se dice que tiene mayor Temperatura. La temperatura es la energía cinética media de las partículas de un cuerpo por unidad de volumen. Si las partículas de un cuerpo reducen su velocidad, y con ello su energía cinética, se reduce su temperatura. Cuando la partículas de un cuerpo no se mueven, su energía cinética es cero, es que se ha alcanzado la temperatura más baja posible, a esta temperatura se la llama cero absoluto o cero grados Kelvin, 0ºK, que corresponden con -273 ºC.

De forma natural, cuando ponemos dos cuerpos a distinta temperatura en contacto, el de mayor temperatura cede energía al de menor, de manera que el primero disminuye su temperatura, disminuyendo la energía cinética de sus partículas, y el otro aumenta su temperatura al aumentar la energía cinética de las suyas, hecho que se conoce como equilibrio térmico. En alguna ocasión, también ocurre que al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, uno la modifique y el otro no, esto sucede cuando el segundo, el que no modifica su temperatura, cambia de estado. A la energía que se intercambia en estos dos casos, es lo que llamamos Calor o energía térmica, así pues, el calor es una energía de tránsito. Físicamente no tiene sentido decir que un cuerpo tiene calor; un cuerpo absorbe o cede calor. Por otra parte, lo que si tiene es una determinada temperatura.

El calor, o energía térmica, es la energía que se intercambia cuando se ponen en contacto dos cuerpos que están a distinta temperatura, hasta que quedan a igual temperatura –equilibrio térmico- o alguno de ellos cambia de estado manteniendo su temperatura constante.

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

Son escalas graduadas que permiten medir la temperatura. Las más comunes son:

• Escala Celsius o Centígrada. El valor cero corresponde al punto o temperatura de congelación del agua y el valor 100 al de ebullición. Entre un punto y otro la escala se divide en 100 partes y cada parte es un grado centígrado (ºC).

• Escala Fahrenheit. En esta escala el punto de congelación del agua es 32 grados Fahrenheit (ºF), y el punto de ebullición, 212 ºF. Se utiliza en países anglosajones. La relación con los ºC es la siguiente:

• Escala Kelvin. Utiliza como valor cero el cero absoluto, 0ºK = -273ºC. Luego su relación es:

T (ºK) = T (ºC) + 273

ESTADOS FÍSICOS O FASES Y SUS CAMBIOS

Estado sólido. En él las fuerzas entre las partículas que lo forman son intensas, con lo cual solo tienen un pequeño movimiento de vibración. Por ello tienen forma y volumen fijos.

Estado líquido. En él las fuerzas entre las partículas que lo forman son de intensidad media, pudiendo fluir unas respecto de las otras, pero no con total libertad. Por ello aunque tienen un volumen fijo, su forma es la del recipiente que las contiene.

Estado gaseoso o gas. En él las fuerzas entre las partículas que lo forman son de baja intensidad, pudiendo fluir unas respecto de las otras con casi total libertad, y por ello no tienen ni forma, ni volumen fijo, adoptan la forma y el volumen del recipiente que los contiene.

Esta claro que si intercambiamos Calor con una sustancia varía su temperatura, pero llegado a una temperatura determinada, se va a utilizar para modificar la intensidad de las fuerzas que hay entre las partículas que lo constituyen y no para modificar la temperatura, en este momento se producirá en ella un cambio de estado. En el esquema siguiente mostraremos el nombre de los cambios de estado.

Dependiendo de la naturaleza de las partículas que formen una sustancia, serán sus fuerzas de atracción, que se intensificarán o debilitarán en función de la Temperatura que tenga, pudiendo pasar de un estado a otro. Pero precisamente, por ser de distinta naturaleza, cada sustancia tiene sus Temperaturas para pasar de un estado a otro.

Se denomina temperatura o punto de fusión a la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado sólido a estado líquido. Su valor coincide con el punto de solidificación, que sería el paso inverso, de líquido a sólido.

Se denomina temperatura o punto de ebullición a la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado líquido a estado gas. Su valor coincide con el punto de condensación, que sería el paso inverso, de gas a líquido.

TIPOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR

La transferencia de calor de un cuerpo a otro, se puede hacer por conducción, convección o radiación.

La conducción es el modo en el que se transfiere la energía térmica o calor entre los sólidos, como las partículas no fluyen o desplazan entre ellas, sino que guardan posiciones fijas en las que vibran, el calor se transmite de una partícula a otra vecina.

La convección es el modo en el que se transfiere la energía térmica o calor entre los fluidos, líquidos y gases, al fluir o desplazarse las partículas unas con respecto a las otras también reparten su calor. Como es lógico la trasmisión es más rápida que entre sólidos, por conducción.

La radiación es el modo en el qué se reparte el calor entre dos cuerpos sin que haya contacto entre ellos. Se propaga por ondas electromagnéticas y es la única forma en la que se trasmite el calor por el vacío.

EFECTOS DE INTERCAMBIO DE CALOR EN LOS CUERPOS

Básicamente son tres: Cambio de temperatura, cambios de estado y cambios de tamaño o dilatación.

A.- Cambios de temperatura

Cuando un cuerpo absorbe o cede calor variando su temperatura, la variación va a depender de la masa que tenga el cuerpo y de su naturaleza (tipo de materia que lo forme). De manera que el calor ,Q, intercambiado es igual a:

Q = m Ce ?T ( Q = m Ce (TFinal – TInicial)

donde Ce es una constante, que depende de la naturaleza de la sustancia, conocida como Calor especifico. En el sistema internacional (S.I.) es la cantidad de calor que tiene que absorber 1Kg de una sustancia para que su temperatura aumente 1ºK, por lo tanto, se medirá en J/Kg·ºK

• Observa que la variación de temperatura, ?T, es la misma en grados centígrados que en grados Kelvin. Es la misma porque al pasar de ºC a ºK habría que sumar lo mismo, 273, a la TFinal y a la TInicial.

• Fijémonos también que cuando el cuerpo absorbe calor, Q es positivo, Q>0, pues la TFinal > TInicial

Y por el contrario, cuando un cuerpo cede calor, Q es negativo, Q 0 ( Calor absorbido o captado y Q < 0 ( Calor cedido o desprendido

• Por último, sabemos que al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, si no hay cambios de estado en ninguno de ellos, el de más temperatura cede calor al de temperatura menor hasta que ésta se iguale en ambos, momento en el que decimos que se ha alcanzado el equilibrio térmico. Es decir, el calor cedido por uno será igual al captado por el otro, pero al igualarlos, deberá hacerse en valor absoluto, ya que son iguales pero uno es negativo y el otro positivo.

B.- Cambios de estado

Cuando una sustancia, al absorber o ceder calor, no varía su temperatura es que esta cambiando de estado. El calor en lugar de emplearse par modificar la temperatura, se emplea para modificar las fuerzas que mantienen unidas sus partículas generándose el cambio de estado. Es decir, el calor intercambiado, ahora no está en función de la variación de temperatura –porque no la hay- estará solamente en función de la masa que tenga la sustancia y de su naturaleza, que en este caso está representada por otra constante denominada Calor latente, L. El calor que se intercambia en un cambio de estado es igual a:

Q = m L

Según el caso, hablaremos del calor latente de fusión, si se trata de un paso de sólido a líquido, de calor latente de vaporización, si se trata de un paso de líquido a gas, etc.

C.- Cambios de tamaño o dilataciones

Con alguna excepción, los cuerpos al absorber calor aumentan su tamaño, se dilatan. La dilatación, cuando en un cuerpo predomina una dimensión sobre las otras, es más acusada en esa dimensión.

Esta es la razón por la que si viajas en tren –o en metro- o atraviesas un puente (de estructura metálica, en ellas la dilatación es más acusada) en coche, notarás que a veces la vía o la carretera tienen pequeñas interrupciones –juntas de dilatación- que aprecias como un pequeño salto. Son separaciones entre dos tramos que facilitan el aumento de tamaño que se produce en verano, en las épocas de calor.

EL CALORÍMETRO

El calorímetro consiste en un vaso con doble pared de vidrio en la que se ha hecho el vacío para evitar transferencia de calor con el entorno. El conjunto está recubierto de un material aislante de plástico y dispone de un termómetro y un agitador. Se utiliza para el estudio de intercambio de calor entre cuerpos cuando, al menos, uno de los dos es líquido. Al estar aislado el sistema del exterior, sabemos que el intercambio se realiza estrictamente entre ellos.

La verdad es que al introducir un objeto caliente en el calorímetro se calienta o absorbe una pequeña cantidad de calor la pared interna del calorímetro, el termómetro y el agitador. Si se quiere tener en cuenta este calor se valora su equivalente en agua. El equivalente en agua del calorímetro es la cantidad (los gramos) de agua que absorbería la misma cantidad de calor que absorbe el calorímetro, es decir, es como si en el calorímetro hubiéramos metido también esa cantidad, esos gramos, de agua.

PROBLEMAS

1) Se lanza una pelota de golf con una velocidad de 40 m/s. Si la altura máxima alcanzada es de 30 m ¿qué velocidad lleva en este instante?

2) Desde lo alto de un plano inclinado, a una altura de 10 m, se deja caer un cuerpo sin que haya ninguna fuerza exterior. ¿Con qué velocidad llegará al suelo?

3) Si desde una altura de 20 m se deja caer un cuerpo ¿con qué velocidad llega al suelo? ¿Qué velocidad tenia a mitad de altura?

4) Si lanzamos verticalmente hacía arriba una piedra con una velocidad de 10 m/s ¿cuál será la altura máxima alcanzada? ¿Qué energía habría que haberle comunicado (trabajo hay qué hacer) a esta piedra de 50 g para que cuando se encuentre a 2 m de altura su velocidad sea de 5 m/s?

5) Una mochila de masa 7Kg se desplaza por una superficie horizontal con una fuerza neta de 10N. ¿Qué trabajo se realiza al desplazarle 80 cm? Si ha partido de reposo, ¿qué velocidad ha alcanzado? A) Cuando la fuerza se realiza en la dirección del desplazamiento B) Cuando la fuerza forma un ángulo de 30º con la dirección del desplazamiento.

6) Se realiza una fuerza constante de 500 N, partiendo de reposo, a una masa de 10 Kg ¿Qué trabajo habrá realizado cuando se encuentre a 10 m de altura? ¿Qué velocidad tiene en este instante?

7) En 10 s. un levantador de piedras consigue elevar 107 Kg desde el suelo hasta una altura de 2m. Calcula el trabajo realizado y la potencia desarrollada.

8) Una grúa eleva un cuerpo de 200 Kg en reposo desde el suelo hasta una altura de 10 m en 30 s, y otra realiza la misma operación, pero en 40 s ¿Cuál de las dos grúas ha realizado más trabajo? ¿Cuál desarrolla más potencia? Expresa las potencias en CV y los trabajos en Kwh.

1 CV = 736 w

9) Un jugador de hockey sobre hielo lanza un tejo de 200 g con una velocidad de 10 m/s. Esta velocidad se ve reducida a 9 m/s, como consecuencia de la fuerza de rozamiento, al cabo de 25 m de recorrido. Calcula: A) Trabajo realizado por la fuerza de rozamiento B) Valor de la fuerza y el coeficiente de rozamiento C) Valor de la deceleración D) Tiempo empleado en recorrer este espacio. E) Potencia desarrollada en vatios y CV. Dato: 1 CV = 736 w

10) Un móvil de 0,5 Kg parte de reposo, con una trayectoria horizontal, impulsado por una fuerza neta constante de 100 N. Recorrido un espacio "s" su velocidad es de 20 m/s. Calcula: A) La energía comunicada por esta fuerza (trabajo realizado por ella) B) El valor del espacio "s" C) La aceleración adquirida D) El tiempo empleado en recorrerlo E) Potencia desarrollada en vatios y trabajo en Kwh

11) ¿Qué sistema se encuentra a más temperatura? El A está a 25 ºC, el B a 280 ºK y el C a 50 ºF.

12) Calcula la cantidad de calor que se necesita suministrar a una botella de agua de 2 l., densidad = 1 Kg/l, para aumentar su temperatura 30 ºC, sabiendo que el calor específico del agua es 4180 J/Kg·ºK

13) ¿Qué cantidad de hielo podremos derretir si disponemos de 100 KJ? LHielo = 334,4 KJ/Kg.

14) Razona si es igual de grave que se derrame sobre ti agua a 100 ºC que te alcance un chorro de vapor de agua a 100 ºC.

15) Un calorímetro contiene 100 gr de agua, C = 4180 J/Kg·ºK, a 20 ºC y se introduce un cilindro de aluminio de50 gr a 100 ºC. Al alcanzarse el equilibrio térmico la temperatura es de 28 ºC.

A- Calcula el calor específico del aluminio, suponiendo el calorímetro ideal.

B- Cuál hubiera sido la temperatura en el equilibrio térmico, si el equivalente en agua del calorímetro hubiera sido de 10 gr.

16) Un calorímetro contiene 200 gr de aceite, calor específico 1670 J/Kg·ºK, a 80 ºC. Que masa de hielo a -4 ºC hay que añadir para que la temperatura en el equilibrio térmico sea de 40 ºC. CHielo = 2090 J/Kg·ºK y LHielo = 334,4 KJ/Kg.

Autor:

Ing. Lic. Yunior Andrés Castillo S.

"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"?

Santiago de los Caballeros,

República Dominicana,

2015.

"DIOS, JUAN PABLO DUARTE Y JUAN BOSCH – POR SIEMPRE"?