Trabajo y energía. Los intercambios de energía. 1. EL TRABAJO Y LA ENERGÍA. La energía hace posible el movimiento, aunque también se necesita para mantener caliente un objeto. Con lo cual, definimos la energía como la capacidad que posee un cuerpo de producir transformaciones. Los términos esfuerzo y trabajo suelen ser confundidos: hacemos un esfuerzo al aplicar una fuerza y realizamos un trabajo si una fuerza produce una transformación. Trabajar equivale a producir una transformación ejerciendo una fuerza. Un objeto pierde energía cuando realiza trabajo y la gana cuando se realiza trabajo sobre él. Si el trabajo lo realiza el objeto, pierde energía, y el trabajo será negativo; por el contrario, si el trabajo se realiza sobre el objeto, aumenta su energía y el trabajo será positivo. Definimos el trabajo, representado con la letra W (del inglés work), como el producto de la “fuerza efectiva” que actúa sobre un cuerpo por el desplazamiento, d, que se produce. W = F . d Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el joule, representado con la letra J, ya que un joule es igual a un newton por un metro: 1 joule = 1 newton x 1 metro 2. ENERGÍA POTENCIAL Y ENERGÍA CINÉTICA. ENERGÍA POTENCIAL La energía potencial (Ep) es la que posee un cuerpo, debido a la posición que ocupa. Un objeto situado sobre el suelo no realiza trabajo, pero un objeto situado a cierta altura sí puede hacerlo. El primero no posee energía potencial, y el segundo, sí. El cambio de posición respecto al suelo hace que un objeto adquiera energía potencial. Para calcular la energía potencial gravitatoria que adquiere un cuerpo de masa m, cuando lo elevamos una altura h sobre la superficie en que se encuentra, debemos conocer primero la fuerza que hay que hacer para elevarlo y calcular después el trabajo que se realiza al desplazarlo. Ep = m . g . h ENERGÍA CINÉTICA Un objeto que se mueve posee energía, ya que puede realizar trabajo. La energía que posee un objeto por el hecho de moverse se denomina energía cinética (EC). La energía cinética depende de la velocidad y de la masa del objeto. Si dos cuerpos de la misma masa se mueven en velocidades diferentes, posee más energía la que se mueve más rápida. Así pues, si dos cuerpos se mueven con la misma velocidad, posee más energía cinética el que tiene una masa mayor. Para calcular la energía cinética de un objecto de masa m, que se mueve con velocidad v, utilizaremos la expresión: EC = 1 . m . v2 ----------------- 2 3.CALOR Y TEMPERATURA. LA TEMPERATURA Los cuerpos no poseen calor, se encuentran a una determinada temperatura. Es una característica propia de los cuerpos y es una magnitud física que no se puede definir. En el S.I. la unidad de temperatura es el kelvin (K), aunque habitualmente utilizamos la escala centígrada de Celsius (ºC) para medir temperaturas. 200ºC 473 K 100ºC 373 K 0ºC 273 K -100ºC 173 K -273ºC 0K Para pasar de una unidad de temperatura a otra se utiliza la siguiente fórmula: K = ºC + 273 ENERGÍA INTERNA La temperatura ambiente es aquella a que se encuentra el aire que nos rodea. Un cuerpo, por encontrarse a determinada temperatura, posee una energía que denominamos energía interna. El calor es la cantidad de energía que transfiere un cuerpo caliente a otro frío al ponerlos en contacto. Un cuerpo posee energía interna, pero no tiene calor. Los cuerpos transfieren calor y, debido a ello, pierden o ganan energía. 4. TEMPERATURA DE EQUILIBRIO. CALOR ESPECÍFICO El calor específico (ce) de una sustancia la cantidad de calor que hemos de suministrar para que aumente en un grado la temperatura de un kilogramo de dicha sustancia. La cantidad de energía, representada con la letra Q, que debemos comunicar a un cuerpo de masa m y calor específico ce para que su temperatura aumente de Ti a Tf es: Q = m . ce . (Tf - Ti) LA TEMPERATURA DE EQUILIBRIO Q1 + Q2 = 0 Q1 = m1 . c1 . (T – T1) Q2 = m2 . c2 . (T – T2) 5. CAMBIOS DE ESTADO. SÓLIDO – LÍQUIDO El calor latente de fusión de una sustancia es la cantidad de energía que hay que aportar para fundir un kilogramo de sustancia sólida sin que se modifique la temperatura. Su unidad en el S.I. es el Joule partido kilogramo (J/kg.). Para fundir una sustancia de masa m, cuyo valor latente de fusión es Lf, se necesita aportar, en forma de calor, una energía: Q = m . Lf LÍQUIDO - GAS El calor latente de vaporización de una sustancia es la cantidad de energía que hay que aportar para evaporar un kilogramo de sustancia líquida sin que se modifique la temperatura. Su unidad en el S.I. es también el Joule partido kilogramo (J/kg.). Para evaporar una sustancia de masa m, cuyo valor latente de vaporización es Lv, se necesita aportar, en forma de calor, una energía: Q = m . Lv