energia y trabajo

ENERGIA Y TRABAJO
ENERGÍA
La energía es una propiedad de los cuerpos o sistemas materiales que les permite producir cambios en
ellos mismos o en otros cuerpos o sistemas.
Es una propiedad que asociamos a los cuerpos para poder explicar estos cambios. La energía tiene una
serie de características:
- Se presenta en distintas formas.
- Puede pasar de unos sistemas a otros (transferencia).
- Se puede transportar con o sin transporte de materia.
- Se conserva en cualquier proceso.
- En unas formas es más aprovechable que en otras.
Estamos acostumbrados a clasificar la energía por un criterio técnico: según la fuente de producción. Así
hablamos de energía eólica, calorífica, nuclear, hidroeléctrica, solar, química...
Sin embargo, en Física es más útil establecer una clasificación en base a las causas por las que el cuerpo
puede producir cambios. Tendremos entonces:
Energía mecánica
o Energía cinética: es la que poseen los cuerpos por el hecho de estar en movimiento.
o Energía potencial gravitatoria: es la que poseen los cuerpos por el hecho de estar a una
determinada altura respecto a la superficie de la Tierra.
o Energía potencial elástica: es la que poseen los cuerpos elásticos que sufren una deformación.
Energía térmica: Es la energía que se transfiere entre dos cuerpos que están a diferente temperatura.
Energía química: Se pone de manifiesto en las reacciones químicas.
Energía radiante: Los cuerpos calientes irradian energía en forma de luz y calor (por ejemplo el
Sol). Son radiaciones electromagnéticas entre las que se encuentran la luz solar, los rayos X, los
rayos ultravioletas, los rayos gamma, microondas, etc.
Energía eléctrica :Es la energía relacionada con las corrientes eléctricas.
Energía nuclear: Es la energía liberada en las reacciones nucleares (por ejemplo en la fisión o en la
fusión nuclear)
La energía es una magnitud escalar y su unidad en el S.I es el Julio (J). Otras unidades:
ergio (erg): 1 erg = 10-7 J
kilovatio-hora (kW·h): 1 kW·h = 3,6 · 106 J
ENERGÍA MECÁNICA
Se denomina energía mecánica de un cuerpo a la que tiene en virtud de su velocidad o de su posición,
magnitudes que definen el estado mecánico de un cuerpo. La energía mecánica (Em) puede ser energía
cinética (Ec), energía potencial (Ep) o suma de ambas:
Em = Ec + Ep
2.1 Energía cinética
Es la energía debida al movimiento de los cuerpos. Depende de las siguientes variables: la velocidad y la
masa. La energía cinética de un cuerpo de masa “m” y velocidad “v” es siempre una cantidad positiva que
se expresa como:
Ec = ½ m · v2
2.2 Energía potencial gravitatoria
La energía que tienen los cuerpos según su altura respecto a la Tierra se llama energía potencial
gravitatoria y depende del peso del cuerpo y de la altura sobre la superficie terrestre. El valor de la
energía potencial gravitatoria de un cuerpo en una posición determinada no está definido. Solo los
incrementos de la energía potencial (ΔEp) están definidos y tienen sentido físico.
- Un cuerpo de masa “m” que se aleja de la superficie terrestre en una cantidad “h” incrementa su
energía potencial: ΔEp = m.g.h
- Un cuerpo de masa “m” que se acerca a la superficie terrestre en una cantidad “h” disminuye su
energía potencial: ΔEp = - m.g.h
Para determinar los valores que toma la energía potencial en un punto concreto se toma un origen
arbitrario para la energía potencial gravitatoria (Ep = 0). Lo normal es tomar la referencia en el suelo, es
decir, asignar el valor cero a la energía potencial gravitatoria cuando el cuerpo se encuentra en el suelo.
Por ello, cuanto a más altura se encuentre situado un cuerpo mayor es su energía potencial
2.3 Energía potencial elástica
Muchos objetos distintos son elásticos, es decir, recuperan su forma después de haber sido deformados.
Para deformarlos, tenemos que gastar una energía, pero esa energía no se pierde, sino que se acumula en
el cuerpo. Por ejemplo, un muelle cuando es comprimido (o estirado). Tomando como referencia al
muelle en posición normal, la energía elástica asociada a la deformación producida se determina por la
expresión
Ep = ½ k.x2
k
x
constante de elasticidad del muelle
deformación producida (l-lo)
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA
Cuando sobre un objeto actúa la fuerza peso (o elástica) junto con otras fuerzas, el resto de las fuerzas
hacen variar la energía mecánica (suma de cinética más potencial) del objeto. O dicho de otro modo, más
claramente, si sobre un objeto SOLO ACTÚA LA FUERZA PESO su ENERGÍA MECÁNICA SE
CONSERVA.
Ec1 + Ep1 = Ec2 + Ep2
Cuando un objeto cae desde cierta altura a medida que su energía potencial disminuye, aumenta en la
misma proporción su energía cinética, y por lo tanto su velocidad.
FORMAS DE TRANSFERIR ENERGÍA: TRABAJO
Existen dos formas de transferir energía de un cuerpo a otro, una es el trabajo y otra el calor. El calor es
una forma de transferir energía de un cuerpo a otro debida a una diferencia de temperatura entre ellos. El
trabajo por el contrario la transfiere por medio de un desplazamiento, bajo la acción de una fuerza.
La palabra trabajo suele referirse a la fatiga o al esfuerzo: “me ha costado mucho trabajo partir esta
nuez” o “el héroe realizó un gran trabajo sujetando la puerta para que el enemigo no la abriera”.
En Física, el trabajo (W – de la palabra inglesa work) es la transferencia de energía a un objeto mediante
la aplicación de una fuerza a un objeto que se mueve. Sólo la componente de la fuerza en la dirección del
movimiento (F ∙ cos α) realiza trabajo, por lo que la expresión que permite calcular el trabajo es:
W = F ∙ s ∙ cos (F,d)
Si el trabajo es POSITIVO (ángulo entre 0° y 90°), AUMENTA la
energía del objeto, porque la fuerza es a favor del movimiento. Si el
trabajo es NEGATIVO (ángulo entre 90° y 180°), DISMINUYE la
energía del objeto. Si el ángulo es exactamente 90°, NO SE
REALIZA TRABAJO, puesto que no se consigue aumentar ni
disminuir la velocidad del objeto. Por ejemplo, un satélite en órbita
sólo recibe una fuerza centrípeta perpendicular a su movimiento, por lo que el trabajo es cero y su altura
(energía potencial) y velocidad (energía cinética) son constantes.
Puesto que el trabajo es energía intercambiada entre dos sistemas, su unidad es la misma que la de la
energía, el JULIO.
Se puede demostrar que el trabajo neto que actúa sobre un objeto se invierte en aumentar (o disminuir) su
energía cinética o su energía potencial:
WTODAS = F (S-So) = m · a (S-So) = m · a ·[ (V2 –Vo2)/2a] =1/2 m ·(V2 –Vo2)
WTODAS = EcFINAL - EcINICIAL
WTODAS = F (S-So) =m g (h – ho)
WTODAS = EpFINAL - EpINICIAL
POTENCIA
La potencia mide la rapidez con que se efectúa un trabajo o lo que es lo mismo la rapidez con la que se
realiza la transferencia de energía de un cuerpo a otro. La potencia (P), que nos indica el incremento de
energía por unidad de tiempo (por cada segundo). Así:
Su unidad en el S.I. es el vatio (W)
Otras: caballo de vapor (C.V.): 1 C.V.= 735 W.
EL TRABAJO UTIL DE LAS MÁQUINAS
Las máquinas transforman unas formas de energía en otras que podamos aprovechar para un fin
determinado, pero no son capaces de transformar toda la energía en energía útil para una acción. En toda
transformación, una parte de la energía utilizada se degrada.
Para determinar lo eficaz que es una determinada máquina, además de su
potencia, hay que tener en cuenta el rendimiento. El rendimiento de una
máquina, η, es la parte de la energía transformada que se aprovecha,
expresada en tanto por ciento: