TEMA 26 - quimica basica

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TEMA 26. LA ENERGIA, SUS TRANSFORMACIONES
Y EL PRINCIPIO DE CONSERVACION
Mario Melo Araya
Ex Profesor Universidad de Chile
meloqca@vtr.net
Introducción
La energía es una magnitud física cuyas dimensiones “SI” son: M L2 T-2 y su unidad “SI”
coherente, kg m2 s-2 llamada Joule (símbolo: J) igual a 1 N m (Newton · metro). Es
una de las propiedades que tiene la materia y, por lo tanto, todos los cuerpos o sistemas
termodinámicos. Además de la energía interna, asociada a las partículas constituyentes,
los cuerpos pueden tener energía adicional debido a su posición en un campo
gravitacional, eléctrico o magnético (energía potencial), a su movimiento (energía
cinética), a su temperatura (energía térmica), etc. las que se describirán más adelante
En general, la energía es utilizada por el hombre para satisfacer necesidades tales como
desplazarse de un lugar a otro, calefaccionar e iluminar sus viviendas, conservar y
preparar sus alimentos, recreación, comunicación, etc. etc.
Respecto a los diferentes apellidos con que se presenta a la energía, sólo identifican su
origen (geotérmica, eólica, solar, hidráulica, eléctrica, química, nuclear, radiante, etc.) o
alguna otra característica (cinética, potencial, térmica) hecho que presenta a la energía
bajo diferentes formas, sin que ello afecte su identidad dimensional. Como un actor que
bajo diferentes ropajes interpreta diferentes papeles.
En general, toda forma de energía es el producto de dos variables, una intensiva y, y otra
extensiva conjugada X, en donde el producto yX tiene las dimensiones de energía.
Descripciones.
Energía potencial gravitatoria, Ep , es la energía asociada a la posición de un cuerpo en
un campo gravitatorio. Para un cuerpo cuyo peso es P = mg, situado a una altura h por
sobre el nivel del mar, su energía potencial gravitatoria es Ep = P h = mg h.
Demostración dimensional:
dim Ep = dim m dim g dim h = M L T-2 L = M L2 T-2
Energía potencial eléctrica, U, es la energía de una carga eléctrica q situada en un
punto de un campo eléctrico cuyo potencial es V: U = V q Unidades SI: J = V C
Demostración dimensional:
dim U = dim V x dim q
dim U = M L2 T-3 I-1 x I T = M L2 T-2
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Energía cinética, Ec , es la asociada al desplazamiento de un cuerpo. Para un cuerpo de
masa m que se desplaza a una velocidad v se tiene: Ec = ½ m v2
dim Ec = dim m dim v2 = M (L T-1)2 = M L2 T-2
Energía térmica.
Es la energía debida principalmente al movimiento (traslacional,
vibracional, rotacional) de las partículas constityentes de la materia. Depende de la
temperatura del cuerpo. A mayor temperatura, mayor energía térmica. Un sistema en
contacto térmico con otro a mayor temperatura, recibirá energía en forma de calor, la que
se almacena en forma de energía térmica.
Energía eléctrica. Es la energía debida al desplazamiento de cargas eléctricas en
materiales conductores; la que puede producir efectos luminosos, térmicos y magnéticos;
ampliamente utilizada por el hombre
Trabajo y Calor. La energía de un sistema puede ser transferida a otro sistema o a sus
alrededores sólo en forma de calor y/o trabajo; formas que sólo se presentan durante los
procesos. Son energías en tránsito; que no se almacenan en los cuerpos; lo que se
almacena es energía. Los cuerpos no tienen calor ni trabajo; tienen energía.
Estas formas de energías no son propiedades de estado de un sistema. Son propiedades
o funciones de proceso; es decir, sólo dependen del proceso que lleva al sistema de un
estado a otro.
Una buena analogía de este hecho es comparar la energía contenida en un sistema con el
agua contenida en un lago. Cuando llueve, el lago recibe agua en forma de lluvia: pero no
almacena lluvia; almacena agua. No se habla de la lluvia del lago, sino del agua del lago.
El calor y el trabajo, serian como el agua en forma de lluvia que recibe el lago.
Energía nuclear. Es la contenida en el núcleo de los átomos materiales. Es liberada en las
reacciones nucleares de fisión y de fusión; procesos en los cuales la energía liberada
proviene de la masa, de acuerdo con la ecuación de equivalencia de Einstein: E = mc2
Energía almacenada en los combustibles fósiles. Liberada en los procesos de
combustión y utilizada en el transporte, en la generación de energía eléctrica, en
calefacción, en la cocina, etc.
Los combustibles fósiles son el petróleo, el carbón y el gas natural y constituyen recursos
no renovables de energía.
Energía eólica. Es energía cinética transportada por el viento (masas de aire en
movimiento) la que depende de la masa de aire y de su velocidad. Es una fuente
inagotable y no contaminante de energía Utilizada por el hombre desde muy antiguo; en
la navegación a vela, en los molinos de viento utilizados para la elevación de agua de
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pozos subterráneos o en la molienda de granos. Actualmente se emplea en la generación
de electricidad.
Energía radiante. Es la energía transportada por las ondas electromagnéticas (ondas de
radio, microondas, infrarrojas, luz visible, ultravioleta, rayos X, rayos γ). De naturaleza
discreta; es decir, constituida por gránulos energéticos o fotones, cuya energía es
proporcional a la frecuencia de la radiación, de acuerdo con la ecuación E = h ν, de Max
Planck, en donde h es la constante de Planck, igual a 6.625 x 10-34 J s.
Energía solar. Es la que proviene del sol, en donde es generada en procesos de fusión
nuclear, y que llega a nuestro planeta en forma de radiación electromagnética. Es energía
no contaminante y la que mantiene vivo a nuestro planeta. Es una buena fuente generadora
de energía eléctrica por conversión fotovoltaica y por conversión térmica de alta
temperatura. En la conversión fotovoltaica la energía luminosa se transforma directamente
en energía eléctrica por medio de celdas y paneles fotovoltaicos. En la conversión térmica
se utiliza la energía solar para calentar agua y obtener vapor de agua el cual al chocar
contra los álabes de una turbina de un generador se obtiene energía eléctrica.
La obtención de energías utilizables.
El hecho de que la energía se encuentra íntimamente ligada a la materia, para obtener
energía utilizable hay que liberarla por medio de tecnologías más o menos complejas. Por
ejemplo, la energía eléctrica (energía utilizable) puede ser generada a partir de la energía
potencial almacenada en el agua de una represa; o a partir de la combustión de
combustibles fósiles; o a partir de la energía química en pilas y acumuladores; o a partir de
la energía eólica, o de la energía nuclear, o de la energía oceánica, o de la energía
geotérmica, o de la energía solar, etc
La calidad y la cantidad de energía del universo.
En todos los procesos naturales la energía se va degradando; es decir, va pasando a
formas de energía de menor calidad, como el calor por ejemplo. La cantidad de trabajo útil
obtenido a partir de una cierta cantidad de calor es menor que el obtenido a partir de esa
misma cantidad pero de otra de mayor calidad, como la electricidad por ejemplo. Este es
un hecho vinculado a otra propiedad de estado, la entropía, que se verá en otro tema
posterior.
Aunque la energía del universo se va degradando, la cantidad de energía del universo se
mantiene constante en todos los procesos. No aumenta ni disminuye. La energía no
puede ser creada ni destruida. Este es el Principio de la conservación de la energía. Uno
de los pilares de la Física.