Energía 4º ESO, IES Nicolás Copérnico
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FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 59 CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA 1.- TRANSFERENCIAS ENTRE SISTEMAS FÍSICOS. CONCEPTO DE ENERGÍA El concepto de energía es uno de los más fructíferos en el terreno de la Ciencia, no solo en el de la Física. Es una idea abstracta –como muchas de la física‐ que está relacionada con los CAMBIOS que se producen en la Naturaleza, y dado que tales cambios son amplísimos y numerosos, no nos cabrá más remedio que establecer una clasificación que nos ayude. Hablando en otros términos, podemos comenzar comentando que un sistema físico puede relacionarse con el medio que lo rodea; en lenguaje científico decimos que el sistema interacciona con el medio. Como consecuencia de la interacción, la masa del sistema puede variar. El uso sistemático de la balanza permitió comprobar que la masa ganada por el sistema es igual a la masa cedida por el medio. En otras palabras, la masa del conjunto del Universo (sistema físico y medio exterior) permanece constante. El descubrimiento de este primer principio condujo al desarrollo pleno de la Química. Pero un sistema físico puede sufrir cambios en otras magnitudes físicas. En principio se inventó un concepto para explicar cada transferencia. Así, para explicar el aumento de temperatura de un sistema físico se utilizó el modelo de FLUIDO CALORÍFICO, o simplemente calor. Según este modelo, un cuerpo tiene masa y tiene calor. Cuando se enfría, traspasa parte de este calor a otro cuerpo (que aumenta de temperatura). A mediados del siglo XIX se comprobó que todas las transferencias que un sistema puede efectuar con otro sistema (o con el medio exterior) se dividen en dos grupos: Por un lado las conocidas transferencias de materia relacionadas por el PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MASA Por otro, todas las demás transferencias, están relacionadas de forma que siempre hay algo que permanece constante. Este otro concepto que permanece constante se denominó ENERGÍA. Al igual que la masa se trata de una magnitud escalar. De acuerdo a la posibilidad de intercambio de materia y/o energía los sistemas se pueden clasificar como: • • SISTEMAS CERRADOS: No permiten el intercambio de materia. SISTEMAS AISLADOS: No permiten el intercambio de materia ni de energía. En cierta manera se puede definir la energía como la causante de los cambios que sufren los sistemas físicos. A3.1 ¿Es la Tierra un sistema cerrado?. ¿Y aislado?. Explica las respuestas poniendo ejemplos demostrativos. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 60 Podemos por tanto relacionar la magnitud física ENERGÍA con las transformaciones que pueden sufrir los sistemas físicos. Ahora bien, la energía no es algo en concreto: la gasolina no es energía. La gasolina es materia que puede sufrir transformaciones y convertirse en otras sustancias. En estas transformaciones la energía de los sistemas que interaccionan puede cambiar: decimos que un sistema transfiere energía a otro. No podemos determinar la energía total asociada a un cuerpo pero sí podemos determinar fácilmente las variaciones de energía que sufre el cuerpo En un sistema se pueden enunciar los dos principios de conservación: • Si el sistema es cerrado la masa se conserva • Si el sistema es aislado se conserva la energía (y la masa, por supuesto) A3.2 Una bola de billar que permanece en reposo es golpeada por otra. a. ¿Qué le ocurre a la masa de la primera bola después del choque?. b. ¿Qué le ocurre a la energía de la primera bola después del choque?. c. ¿Qué le ocurre a la energía de la segunda bola después del choque?. d. ¿Qué le ocurre a la energía total del sistema formado por las dos bolas después del choque?. 2.- FORMAS DE LA ENERGÍA El principio de conservación de la energía fue enunciado después del principio de conservación de la masa porque fue más complicado de observar. Esto es debido al hecho fundamental de que la energía se puede manifestar de muchas maneras diferentes. ENERGÍA CINÉTICA Está asociada con la masa y rapidez del movimiento de los cuerpos. Una piedra quieta en el suelo no posee este tipo de energía. Sin embargo, sí la tiene cuando la lanzamos. El valor de la energía cinética asociada a un cuerpo se determina por la expresión: Ec = siendo m la masa y v la rapidez. 1 m ⋅ v2 2 Un camión y un coche van a chocar, con la misma velocidad, contra un muro. ¿Cuál de los dos vehículos derribará más muro? El camión realiza mayor derribo. Por tanto, posee más energía cinética. El camión se diferencia del automóvil en la masa. La energía cinética de un cuerpo depende de su masa. Cuanto mayor sea la masa, tanto mayor será la energía cinética. Imagina ahora que son dos coches iguales los que se dirigen hacia un muro. El primero se mueve a 10 km/h y el segundo lo hace a 100 km/h. ¿cuál de los dos coches derribará mayor cantidad de muro? El automóvil que posee mayor velocidad. La energía cinética también Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 61 depende de la velocidad. En resumen, la energía cinética de un cuerpo depende de la masa y de la velocidad y viene dada por la fórmula que ya se ha visto de Ec = 1 m ⋅ v2 2 A3.3 La unidad de energía en el sistema internacional recibe el nombre de Julio . Expresa el Julio en función de las magnitudes elementales. A3.4 La unidad de energía en el sistema cegesimal es el ergio. Expresa 5 J en ergios (erg). A3.5 ¿Tiene energía cinética el viento?. ¿Y el aire en calma?. ¿Se puede utilizar la energía en el primer caso?. ¿Y en el segundo?. Explica las respuestas. A3.6 Un cuerpo de masa 10 kg se encuentra en reposo y sufre una aceleración de 2 m/s2 durante 4 s. Determina el incremento de energía cinética asociada al cuerpo. ENERGÍA POTENCIAL Está asociada a las siguientes interacciones: INTERACCIÓN GRAVITATORIA: Interacción entre un cuerpo y otro de gran masa (planeta, estrella, etc). En este caso hablamos de ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA. Con respecto a la superficie del planeta la energía potencial gravitatoria asociada a un cuerpo se determina por la expresión: U = m . g . h siendo h la altura a la que se encuentra el cuerpo INTERACCIÓN ELÉCTRICA: Se puede manifestar de muchas maneras. Una muy frecuente en Física es la interacción entre un cuerpo y un muelle cuando es comprimido (o estirado). En este caso hablamos de ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA. Con respecto al muelle en posición normal, la energía elástica asociada a la deformación producida se determina por la expresión: Epe = 1 ⋅ k ⋅ x2 2 siendo: k : constante elástica del muelle x : deformación producida A la hora de hablar y trabajar con la energía potencial gravitatoria, es preciso aclarar que se trata de “un concepto relativo”, cuyos detalles en profundidad se estudiarán con más detalle en otros cursos superiores de física. Aquí nos basta con reconocer que la altura de los objetos es “una cosa relativa” (puede medirse la altura de ese objeto respecto de diversos niveles) por lo que se acostumbra siempre a especificar el “nivel cero de energía potencial gravitatoria”, pudiendo existir, por tanto, valores negativos para esta magnitud energética, que NO así para la energía cinética. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 62 A3.7 ¿Cuál es la energía potencial gravitatoria asignada a un cuerpo de masa 20 kg cuando se encuentra a 10 m de altura?. Exprésala en ergios. A3.8 Un muelle cuya constante elástica es 2 N / cm tiene una longitud de 20 cm. Determina la energía potencial elástica asociada al muelle cuando se comprime hasta tener una longitud de 8 cm. A3.9 Determina la longitud del muelle anterior cuando se le coloca encima un cuerpo de masa 2 kg. ¿Cuál será la energía potencial elástica asociada al muelle en esas condiciones?. A3.10 Desde lo más alto de un edificio de 6 m soltamos, al mismo tiempo, una piedra de 400 g y otra de 100 g. a) Cuando están en la azotea, ¿qué tipo de energía poseen?. ¿Podríamos decir cuál tendrá más?. b) Al llegar al suelo, ¿qué tipo de energía poseen?. ¿Cuál tendrá más y cuál llegará antes al suelo?. A3.11 ¿Qué tiene más energía cinética: un coche que marcha a 40 km/h o un autobús a la misma velocidad?. Explica la respuesta. Cuando un objeto posee tanto energía cinética, como potencial, a la suma de AMBAS, se la suele denominar ENERGIA MECÁNICA, la cual permanece constante siempre que no actúen fuerzas ajenas al campo (por ejemplo, fuerzas de rozamiento) ENERGÍA INTERNA En esencia toda la energía se manifiesta como energía cinética o energía potencial. Un cuerpo está formado por muchas partículas (moléculas o átomos) que tienen asociadas estos tipos de energía. El conjunto de las energías cinéticas y potencial asociadas a todas las moléculas o átomos que forman un cuerpo es muy difícil de medir y se denomina ENERGÍA INTERNA. Dado que la temperatura es una magnitud relacionada con el movimiento de moléculas o átomos, la energía interna depende de la naturaleza de la sustancia y de la temperatura. Aunque es prácticamente imposible medir la energía interna de un cuerpo, es muy fácil medir las variaciones de energía interna que éste sufre. La energía que se puede obtener de los combustibles (y los alimentos son un tipo de combustible) proviene de la variación de energía interna que sufren estas sustancias en el proceso químico llamado combustión. La energía producida en la combustión es conocida desde antes de establecerse el principio general de la conservación de la energía. Se hablaba de la transferencia de calor y se definía la CALORIA como el calor necesario para aumentar la temperatura de 1 g de agua en un grado. Hoy día consideramos el calor como una manera de transferencia de energía, no como energía en sí. Al formular el principio de conservación de la energía quedó establecido la equivalencia entre la caloría y la unidad de energía en el SI: 1 J = 0,24 cal Hoy día es frecuente, aún, encontrar tablas de contenido energético de los alimentos expresados en calorías. Y es más, es frecuente referirse a la kcal (kilocaloría) como Caloría (con mayúsculas), sobre todo en la información de los envases de alimentos, aunque la normativa actual obliga a utilizar las unidades del sistema internacional. A3.13 Analiza "la cadena energética" necesaria para hacer una actividad física, por ejemplo, caminar. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 63 A3.14 Es frecuente encontrar en las etiquetas de algunos alimentos frases como "valor energético 18'4 kJ". ¿Qué significa este dato?. Exprésalo en calorías y en kcal. Los alimentos se dividen en tres grupos: AZÚCARES: constituyen el combustible inmediato para la obtención de energía. Un gramo de azúcar proporciona 4 kcal (en algunos libros 4 C). GRASAS: constituyen la reserva energética. Cada gramo de grasa proporciona 9 kcal.. PROTEÍNAS: constituyen los tejidos vivos. Cada gramo de proteína proporciona 4 kcal. 3.- TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA Ya hemos hablado sobre cómo la energía esta asociada a las transformaciones y a los cambios en los sistemas. Cuando suceden tales cambios, la energía de una determinada clase puede disminuir, mientras que aumenta la energía de otra clase. Un ejemplo: un obrero está cargando remolacha desde el suelo hasta lo alto de un camión. En este caso, la energía interna del obrero disminuye, mientras que la energía potencial gravitatoria de las remolachas aumenta al subir desde el suelo al camión. Solemos decir, de un modo mas simple, que la energía interna del obrero se ha transformado en energía potencial de las remolachas. En realidad, no es una forma muy correcta de hablar ya que da la sensación de que la energía es algo material que sale y va de unos sistemas a otros, modificándose en el cambio. Escrupulosamente hablando habría que decir que los sistemas "obrero" y 'remolacha" se han transformado y que la disminución de energía (interna) del obrero es igual al aumento de energía (potencial gravitatoria) de las remolachas. Un modo de analizar las transformaciones, es haciendo uso de la descripción observable y la descripción energética. Otro ejemplo: imagina un futbolista que da una patada a un balón. ESTADO INICIAL ESTADO FINAL Descripción observable El futbolista está menos cansado y la pelota está quieta. Descripción observable El futbolista está algo mas cansado y la pelota está en movimiento. El futbolista tiene menos energía interna y la Descripción energética El futbolista tiene energía interna y la pelota NO tiene energía cinética. Descripción energética pelota tiene energía cinética. A3. 15 Describe las transformaciones que experimenta un corredor de 100 m lisos desde que sale hasta que termina la carrera y las de un coche que circula por una autopista a 120 km/h de modo constante. Algunos términos tan "familiares" como los de "calor y trabajo", como veremos dentro de poco, están asociados, precisamente, a estas transferencias de energía. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 64 Una propiedad MUY IMPORTANTE que se pone de manifiesto EN TODAS LAS TRANSFERENCIAS DE ENERGÍA, es que en todas ellas, la ENERGÍA GLOBAL SE CONSERVA, es decir, que NO se crea ni se destruye en las transformaciones. Esto se conoce como PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA, que es uno de los pilares básicos y fundamentales de toda la Física. Ya que la energía "cambia el modo de presentación", surge una pregunta: ¿Son equivalentes todas las formas de energía? Parece, a primera vista, que no. Hay unas formas de energía que permiten realizar más transformaciones diferentes que otras. La energía eléctrica, por ejemplo, puede utilizarse en una gran variedad de procesos, aprovechándola en casi su totalidad, mientras que la energía interna del agua "caliente" tiene menos utilidades directas. Por ello se dice que la energía eléctrica es de mejor calidad que la energía interna del agua caliente. Generalmente, cuando usamos la energía para algún proceso que nos proporciona bienestar, utilizamos una cierta cantidad de energía, y al final del proceso tenemos la misma cantidad de energía, pero de PEOR calidad, de modo que decimos que la energía se ha degradado. En el lenguaje cotidiano solemos decir "que se ha gastado" la energía, aunque en realidad seguimos teniendo la misma cantidad, pero de peor calidad. Se suele comentar a veces, que el calor, que con frecuencia está omnipresente en todas las transformaciones, es la forma más degradada de la energía. El proceso inverso, el de "producción de energía", de alta calidad a partir de energía de baja calidad, también es posible, pero a costa de aprovechar sólo una parte. Es lo que sucede, por ejemplo, cuando se produce energía eléctrica a partir de la energía química de un combustible, que sólo se aprovecha una parte, que, en las condiciones más favorables, llega al 30 %. A A3.16 Explica las transformaciones energéticas que se producen cuando se deja caer una bola por una pared esférica desde el punto A, como se ve en la figura, hasta que se queda parada en el fondo. A3.17 Analiza las transformaciones de energía que van sucediendo al lanzar una piedra verticalmente hacía arriba. Si dejamos caer la piedra al suelo ¿qué ha sucedido con esa energía?. A3.18 Explica las transformaciones energéticas que tienen lugar en el movimiento de un péndulo simple. ¿Qué sucede con la energía asociada al péndulo cuando deja de moverse?. ¿Qué habría que hacer para mantener el péndulo en constante movimiento?. A3.19 Se lanza un cuerpo hacía arriba con rapidez de 20 m/s. Determina la altura máxima alcanzada haciendo uso del principio de conservación de la energía. ¿Con qué velocidad volverá a llegar al suelo?. A3.20 Desde lo alto de una azotea se lanza un cuerpo hacia arriba con velocidad de 10 m/s y otro hacia abajo con la misma rapidez. ¿Cuál de los dos llegará al suelo con mayor velocidad?. A3.21 Un objeto de 4 kg está situado en lo alto de una azotea a 8 m del suelo. a. ¿Qué energía potencial posee sobre la azotea?. b. Si se deja caer desde ahí ¿qué energía cinética posee al llegar al suelo?. c. Determina la energía potencial y cinética que tiene cuando se encuentra a 4 m del suelo. A3.22 Un fusil dispara verticalmente una bala de 50 g con una velocidad de 200 m/s. a. ¿Qué energía cinética tiene la bala al salir del fusil?. b. ¿Cómo es posible que la bala adquiera esa energía cinética?. c. ¿Qué tipos de energía tendrá la bala cuando esté a una altura de 500 m?. d. ¿Qué velocidad tendrá la bala a esa altura?. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 65 A3.23 Desde lo alto de una azotea situada a 15 m del suelo se lanza un cuerpo con una rapidez de 7 m/s de tres maneras diferentes: verticalmente y hacia arriba, verticalmente y hacia abajo y horizontalmente hacia el frente. ¿En que caso llegará al suelo con mayor rapidez?. Explica la respuesta. A3.24 ¿Desde qué altura habría que dejar caer un cuerpo para que llegue al suelo con velocidad de 4 m/s?. ¿Depende el resultado de la masa del cuerpo?. A3.25 Desde la parte inferior de un plano inclinado 25° sobre la horizontal se lanza un objeto con una rapidez de 4 m/s. Calcula hasta qué altura llegará. A3.26 Analiza las transformaciones energéticas que se ponen de manifiesto cuando una persona sube una cuesta en bicicleta. USO CORRECTO DEL LENGUAJE CIENTÍFICO La energía se transforma: cuando un sistema cambia la energía puede manifestarse de diversas formas, cambian de una a otra La energía se transfiere: la propiedad llamada energía puede disminuir en un sistema al mismo tiempo que aumenta en otro. Se dice que el primer sistema transfiere energía al segundo. La energía se conserva: la cantidad total en un sistema aislado se conserva. Si disminuye en un sistema es porque aumenta en otro. La energía se degrada: algunas formas de energía son más útiles que otras para realizar transformaciones. Cuando usamos energía, ésta se transforma en otra menos útil, es decir, menos aprovechable. 4.- OTRA FORMA DE TRANSFERIR ENERGÍA: EL TRABAJO El lenguaje cotidiano maneja, con un significado muy diferente a como se hace en Ciencia, el concepto de trabajo. Casi siempre que se habla en "la calle" de trabajo, nos referimos a ideas relacionadas con la fatiga, o con las ocupaciones de las personas (en oposición a la "idea de paro"). En Física, el concepto de trabajo posee un significado bien diferente. En Física, la idea de trabajo esta relacionada con el intercambio de energía. El concepto de trabajo se introduce en la Física en el siglo XVIII, en plena revolución Industrial, para comparar las capacidades de máquinas. Tal capacidad estaba relacionada con el peso que era capaz de subir a determinada altura, por lo que, por entonces, se definió el trabajo como el producto del peso por la altura a la que éste se elevaba. Posteriormente, esa definición se generalizó a aquéllos casos en los que se hacía una fuerza para desplazar un cuerpo. En una primera aproximación podemos escribir: Energía intercambiada = Trabajo = Fuerza ∙ desplazamiento ∙ coseno ángulo (F,d) ΔE = W = F ∙ d ∙ cos (α) Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 66 El trabajo, es otra forma de medir la energía intercambiada entre dos sistemas. Su unidad es la misma que la de la energía, el JULIO (en el Sistema Internacional) Hay que diferenciar claramente entre trabajo y fuerza. Para que haya trabajo, se necesita que exista fuerza y que además se desplace el punto de aplicación de dicha fuerza. Cuando un cuerpo cuelga de una cuerda, por ejemplo, la cuerda tiene que ejercer una fuerza para contrarrestar el peso del cuerpo. Pero mientras que no haya desplazamiento, no hay trabajo, ya que no hay transferencia alguna de energía. Este, y otros muchos, son ejemplos donde hay fuerza pero no trabajo. Admitamos que sobre un cuerpo inicialmente en movimiento, con rapidez Vo, sin rozamiento, actúa una fuerza horizontal y constante que le proporciona una determinada aceleración. El cuerpo recorre, por tanto, una cierta distancia, x. Podemos relacionar las ecuaciones de la dinámica y la cinemática que ya conocemos para analizar el trabajo efectuado: 1 ⎛ ⎞ W = F ⋅ d = m ⋅ a ⋅ x = m ⋅ a ⋅ ⎜ v0 ⋅ t + ⋅ a ⋅ t 2 ⎟ = 2 ⎝ ⎠ 2 ⎛ v - v 0 1 (v f - v 0 ) 2 ⎞ 1 ⎛ ⎞ + ⋅ ⋅ t ⎟⎟ = = m ⋅ ⎜ v 0 ⋅ t ⋅ a + ⋅ a 2 ⋅ t 2 ⎟ = m ⋅ ⎜⎜ v 0 ⋅ t ⋅ f 2 2 t 2 t ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 1 1 = ⋅ m ⋅ v 2f - ⋅ m ⋅ v02 2 2 El término ½ m ∙ v2 es la expresión matemática de la ENERGÍA CINÉTICA (Ec), por lo que según lo anterior el trabajo que se realiza sobre un cuerpo se invierte en variar su valor de energía cinética: W = EcFINAL ‐ EcINICIAL Evidentemente, si sobre un cuerpo que se desplaza actúan varias fuerzas, cada una de ellas –en principio‐ puede realizar trabajo, de modo que el trabajo total será la suma de los trabajos realizados por cada una de las fuerzas presentes. A3.27 Una persona empuja a una furgoneta que se ha atascado en el barro sin conseguir moverla. Después de media hora, acaba extenuado y sudoroso. ¿Ha realizado trabajo sobre la furgoneta?. Explica la respuesta. A3.28. Un autobús de 1,5 toneladas viaja con una rapidez de 80 km/h cuando entra en una zona de curvas y reduce su velocidad a los 50 km/h. Calcula: a) Energía cinética que llevaba el autobús al principio b) ¿Qué energía cinética lleva el vehículo cuando entra en la zona de curvas? c) ¿Qué trabajo han efectuado los frenos? A3.29 Determina el valor de tu energía cinética cuando corres a 12 km/h y expresa el resultado en calorías. A3.30. Un objeto de 5 kg de masa se suelta desde una altura de 12 m. Determina: a) ¿Qué energía cinética tiene el objeto en el instante en que llega al suelo? b) ¿Ha existido variación de energía cinética a lo largo del proceso? ¿Quién ha sido "el responsable de provocarla "? A3.31. Un vehículo de 250 kg viaja por una autopista a 90 km/h constantemente ¿Posee energía cinética? ¿La modifica? ¿ Coinciden tus afirmaciones con tus conocimientos de dinámica de estas situaciones? Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 67 A3.32. Un coche, partiendo del reposo, alcanza los 100 km/h en 8 segundos Calcula: a) Energía cinética al final del recorrido, si se sabe que la masa del vehículo es de 650 kg. b) Trabajo efectuado en el recorrido. ¿Qué fuerza ha sido la responsable de llevarlo a cabo? c) Distancia cubierta por el vehículo en ese tiempo. A3.33 Un objeto de 1,5 kg se lanza verticalmente y hacia arriba con una velocidad de 7 m/s Determina la VARIACION de energía cinética hasta el momento en que llega a su altura máxima. Analiza el resultado obtenido. A3.34 Desde lo más alto de un plano inclinado de 28° sobre la horizontal y perfectamente liso, se suelta un objeto de 3 kg de masa. Si la longitud recorrida sobre el plano es de 6 m, calcula: a) Trabajo realizado sobre el objeto, indicando la fuerza responsable b) Energía cinética con que llega ese objeto al final del plano. A3.35 a) Explica las transferencias de energía que suceden cuando una persona sube un saco de patatas de 50 kg desde el suelo hasta una altura de 2 m. b) ¿ Qué fuerza mínima es precisa para subir el saco? Determina el trabajo asociado a la fuerza que eleva el saco. c) ¿ Qué relación existe entre el trabajo realizado y la energía transferida? ¿De dónde procede esa energía? Al actuar sobre un sistema, podemos darle o quitarle energía. En una aproximación, podemos indicar que cuando las fuerzas están dirigidas en el mismo sentido en el que se produce el desplazamiento contribuyen a aumentar la energía cinética del cuerpo sobre el que actúan: decimos que hacen un trabajo positivo. Las fuerzas que están dirigidas en sentido contrario al del movimiento, disminuyen la energía cinética del sistema: decimos que hacen trabajo negativo. A3.36 Determina el trabajo que hay que efectuar para elevar (a velocidad constante) y a una altura H, un objeto de masa M. ¿Hay alguna relación entre la ecuación encontrada y la energía potencial gravitatoria?. RECUERDA: cuando un objeto posee tanto energía cinética, como potencial, a la suma de AMBAS, se la suele denominar ENERGIA MECÁNICA, la cual permanece constante siempre que no actúen fuerzas ajenas al campo (por ejemplo, fuerzas de rozamiento) A3.37 Un coche de masa 900 kg puede alcanzar los 100 km/h partiendo del reposo en 9 s. Determina el espacio recorrido en los 9 s. a. ¿Cuál es la variación de energía cinética que experimenta el coche en ese tiempo?. ¿Por qué ha aumentado la energía cinética?. b. Calcula el módulo de la fuerza neta que provoca la aceleración del coche. m A3.38 Dos cuerpos iguales de masa 20 kg se encuentran a 10 m de altura como se ve en la figura. Uno se deja caer verticalmente mientras el otro cae por una rampa inclinada de longitud 15 m. a a. Analiza la transformación energética en el proceso de caída de ambos h cuerpos. b. ¿Cuál de los dos llega al suelo con mayor velocidad?. ¿Qué debe ocurrir para el cuerpo de la rampa llegue con una velocidad menor?. A3.39 Es frecuente oír la siguiente frase: “Subir por la escalera cuesta menos trabajo que trepar por una cuerda”. ¿Es correcta desde el punto de vista del lenguaje científico?. Expresa correctamente la idea que se quiere transmitir. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 68 A3.40 Un compañero te comenta: "cuando golpeamos una bola de billar con el taco, la fuerza que tiene el taco se traspasa a la bola". ¿Estás de acuerdo con esta afirmación?. Explica la respuesta. A3.41 Desde una altura de 3 m soltamos un objeto de 5 kg, de modo que cae sobre un muelle que está colocado en posición vertical (K = 400 N/cm). Determinar cuánto se comprimirá el muelle. A3.42 Comprimimos 4 cm un muelle horizontal (K = 400 N/cm) en contacto con un cuerpo de 3 kg, de modo que tras soltarlo, ese objeto sale despedido por una superficie lisa y sin rozamiento. ¿Con qué rapidez sale disparado el objeto? Si tras recorrer cierta distancia sobre ese plano horizontal listo, sube por un plano inclinado (12º) ¿hasta qué altura llegará y qué longitud sobre ese plano recorrerá? A3.43 Una esfera de 20 g está situada en el punto A del circuito de la figura, de A modo que tras resbalar por la superficie curva y sin rozamiento, de radio 1 m, incide sobre un muelle de constante K = 200 N/cm. Se pide: a. Determinar cuánto se comprime el muelle. b. Con qué rapidez llega la bola al punto B (justo antes de chocar con el muelle) B c. Realizar un análisis cualitativo (sin cálculos) de la misma situación en el caso de que hubiera existido rozamiento. ¿Se habría comprimido lo mismo el muelle? ¿Habría llegado la bola al punto B con la misma rapidez? EXPLICACIONES. A3.44 Un coche de 770 kg circula por una autopista a 140 km/h cuando frena hasta reducir su rapidez hasta los 80 km/h. Se pide: a. ¿Cuál ha sido la variación de energía experimentada por el auto? Expresa el resultado en Kilocalorías. b. ¿Qué trabajo han efectuado los frenos? c. El coche a 140 km/h lleva una cierta energía cinética, que en caso de colisión se manifiesta de forma violenta en los accidentes. Para hacernos una idea de la gravedad del accidente, ¿cuál sería la altura equivalente desde la que habría que dejar caer el mismo coche para producir los mismos efectos que en el choque en el accidente? 5.- POTENCIA Resulta más o menos evidente que 'la bondad" de una transformación energética puede juzgarse, de alguna manera, por la rapidez en que se efectúa. Esto es, con el tiempo que se necesita para llevarse a efecto. De aquí nace la idea de potencia, definiéndose como el trabajo mecánico realizado en la unidad de tiempo: W = T t La unidad de potencia en el S.I. es el J/s, más conocida con el nombre de vatio (W)1. A3.45 Expresa 1 w en unidades del sistema cegesimal. A3.46 Una unidad frecuente de potencia, es el "caballo de vapor". Investiga sobre su equivalencia con las unidades anteriores. A3.47 El kW.h, (o simplemente kwh) ¿es unidad de potencia o de energía?. ¿Por qué? Encuentra su equivalencia con las unidades del sistema internacional y cegesimal 1 En honor de James Watt, ingeniero escocés (1736 - 1819), inventor de la máquina de vapor que daría lugar a la Revolución Industrial Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 69 6.- LA TERCERA FORMA DE TRANSFERIR ENERGÍA: EL CALOR Las sustancias están formadas por partículas (moléculas o átomos) que se encuentran en un determinado nivel de agitación molecular, máximo en estado gaseoso y mínimo en estado sólido. Así, en estado gaseoso, las moléculas o átomos que formen las partículas, se encuentran moviéndose en todas direcciones y al azar. Unas partículas se mueven con mayor velocidad y otras con menor, pero la mayoría lo hace con una velocidad en torno a un valor medio que depende de la temperatura a la que se encuentre el gas. La temperatura es una magnitud relacionada con la velocidad media de las moléculas (no tiene sentido hablar de la temperatura de una molécula ya que se trata de una magnitud estadística del conjunto de moléculas) Si un gas tiene una temperatura alta, la velocidad media de las moléculas será alta (pero no debe olvidarse que hay moléculas que se mueven con velocidades distintas, mayores y menores que la velocidad media). Por tanto, la energía interna del gas dependerá de la temperatura (ya que ésta modifica la energía cinética de las moléculas). Las moléculas del gas chocarán entre ellas y se transferirán energía cinética, pero la energía media de ellas no cambia y, por tanto, la temperatura asignada es la misma. Si se transfiere energía a las moléculas (por ejemplo, golpeándolas con una compresión brusca, como ocurre al utilizar una bomba de inflar ruedas de bicicletas), la energía cinética media de las moléculas será mayor y eso se traduce en un aumento de la temperatura. ¿Qué ocurre al mezclar dos masas gaseosas que se encuentran a diferente temperatura?. Las moléculas que forman la mezcla chocarán entre sí y las moléculas rápidas transferirán energía a las moléculas lentas. Habrá moléculas rápidas de la masa fría que transfieran energía a moléculas lentas de la masa caliente, pero habrá más moléculas rápidas de la masa caliente que hagan lo propio. Por tanto habrá una transferencia energética neta desde la masa caliente a la masa fría. La velocidad media resultante de la mezcla será mayor que la de la masa fría y menor que la de la masa caliente. Esta transferencia energética entre cuerpos a distinta temperatura se denomina CALOR. Es importante que comprendas que la palabra calor se refiere a un proceso de transferencia no a una sustancia. LOS CUERPOS NO TIENEN CALOR. Incluso la denominación transferencia de calor es incorrecta: el calor es el propio proceso de transferencia. Se transfiere energía. Por tanto, al poner en contacto dos sistemas a diferentes temperaturas, estos evolucionan de forma que, al final, se igualan las temperaturas de ambos, llegando a los que se llama EQUILIBRIO TÉRMICO. Por ejemplo, si echamos un trozo de hierro a 200 °C en agua fría (a 18 °C), el hierro se enfría y el agua se calienta un poco, de forma que al final la temperatura del hierro y del agua son iguales (por ejemplo 27 °C). A3.48 Analiza las transformaciones que se producen cuando se echa un poco de leche fría en un vaso que contiene café muy caliente. A3.49 Al llegar a clase por la mañana, tras una fría noche de Enero, ¿qué estará más caliente: el tablero o las patas metálicas del pupitre?. Explica la respuesta. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 70 Cuando un cuerpo se calienta desde una temperatura t1 a otra temperatura t2 la cantidad de energía transferida (esto es, el calor) depende de los siguientes factores: de la diferencia t2 ‐ t1 (Δt) de la cantidad de sustancia (m) del tipo de sustancia Estas dependencias se resumen en la expresión Q = m . ce . Δt donde ce es el llamado CALOR ESPECÍFICO, característico de cada sustancia (en función del estado físico en que se encuentre). Se puede definir como el calor necesario para incrementar en un grado la temperatura de un gramo de sustancia (de acuerdo a la fórmula anterior, ce vale Q cuando m y Δt valen 1). SUSTANCIA Agua Cobre Oro Nitrógeno TABLA DE CALORES ESPECÍFICOS (cal / g °C) (A presión constante) ce SUSTANCIA ce SUSTANCIA 1'00 Hielo 0'55 Hierro 0'09 Aceite 0'60 Alcohol 0'03 Plomo 0'03 Aluminio 0'25 Oxígeno 0'22 Cinc ce 0'10 0'58 0'22 0'09 Fíjate que el agua tiene un calor específico alto (el mayor de las sustancias corrientes). A3.50 ¿Cuánta energía se requiere para calentar 1 litro de agua desde los 18 °C hasta los 70 °C?. ¿Y si se trata de aceite?. A3.51 Un bidón contiene 20 litros de agua a 60°C y otro contiene 20 litros de aceite a la misma temperatura. Cuando se enfrían hasta 25 °C ¿qué bidón transfiere más energía?. A3.52 ¿Por qué se utiliza el agua en los sistemas de calefacción por calderas?. A3.53 Sabrías explicar por qué en la costa el clima es más suave que en el interior: menos frío en invierno y menos calor en verano. A3.54 Queremos freír pescado. ¿Qué cantidad de calor necesitaremos para calentar 250 g de aceite desde la temperatura ambiente de 25 °C hasta la de 190 °C?. A3.55 Se mezclan 200 g de agua a 20 °C con medio litro de agua a 50 °C. ¿Cuál será la temperatura final de la mezcla?. A3.56 Con un hornillo eléctrico queremos calentar 400 g de leche (ce = 0'9 cal/g °C) desde 10 °C hasta 50 °C. ¿Qué energía será necesaria para calentar la leche?. A3.57 Un herrero está forjando una pieza de hierro cuya masa es de 1 kg. La echa sobre 5 litros de agua que se encuentran inicialmente a 20 °C, siendo la temperatura final de la mezcla 42 °C. ¿Cuál era la temperatura del hierro antes de sumergirlo en el agua?. A3.58 En un calorímetro tenemos 400 g de aceite a 160 °C. Se nos cae dentro una cuchara de aluminio de 50 g que está a temperatura ambiente (20 °C). ¿Cuál será la temperatura final de la cuchara?. ¿Y la del aceite?. A3.59 Introducimos en el congelador de un frigorífico un cazo de aluminio con medio litro de agua. al cabo de dos días ¿que tendrá una temperatura más baja: el cazo de aluminio o el agua?. Explica la respuesta. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 71 A3.60 Se suelta un objeto de 8 kg de masa situado a 12 m del suelo, de modo que todo el calor desprendido en la caída, se utiliza para calentar 120 g de agua que inicialmente estaba a 20ºC. ¿Cuál será la temperatura final de esa agua? Entonces... ¿qué es "él frío "? En la vida ordinaria, expresiones como "cierra la puerta, que entra frío", "qué frío hace hoy", o "es una persona muy fría" son más o menos habituales. Todas ellas, sin embargo, están asociadas bien a sensaciones fisiológicas o bien a considerar "el frío" como algo material que puede entrar o salir de un lugar. En realidad, "el frío" NO ES una palabra absolutamente necesaria en Ciencia ("'el frío no existe')', ya que todas las expresiones a las que se refiere ese "frío" pueden ser explicadas en términos de temperatura y energía interna. Por ejemplo, la expresión "entra frío por la ventana" se explicaría diciendo que entra aire a baja temperatura mientras que sale de la habitación "aire caliente" (aire a temperatura superior). De este modo, disminuye la temperatura media del aire de la habitación. Cuando "enfriamos" algo, en realidad lo que hacemos es poner en contacto dos sistemas que están a diferente temperatura, disminuyendo la energía del que está a mayor temperatura y aumentando la energía del que está a menor temperatura. De nuevo, una vez más, los términos utilizados "a diario" son demasiado ambiguos e inexactos para ser utilizados en Ciencia. En otras ocasiones asociamos el "frío" con la rapidez con que se transfiere energía en forma de calor. Rapidez que depende del tipo de sustancia. Por norma general, los metales transfieren esta energía con mucha rapidez (decimos que son buenos conductores del calor). La tabla de madera y las patas de hierro del pupitre se encuentran a la misma temperatura (¡¡equilibrio térmico!!). Lo que ocurre es que al tocarlas con nuestras manos, la transferencia de energía desde nuestro cuerpo al metal es más rápida, lo cual se traduce en sensaciones físicas diferentes. CALOR Y CAMBIOS DE ESTADO EBULLICIÓN FUSIÓN Ya en el curso anterior hablamos de las principales características de los cambios de estado e incluso dábamos una explicación en base al modelo cinético de la materia. A3.61 ¿ Qué fundirá a una temperatura superior, 1 kg de hielo o 0,5 gramos de hielo? Explícate ¿Qué significa que la temperatura de ebullición de un liquido sea una propiedad característica? ENERGÍA APORTADA Una de las cosas que comentamos entonces era que mientras se producía un cambio de estado, la temperatura NO se modificaba, ya que la energía que se suministra mientras tanto se invierte en romper o en debilitar las uniones entre las moléculas. Al calentar un sólido formado por una sustancia pura la temperatura comienza a subir hasta que se alcanza el punto de fusión. Mientras el sólido está fundiendo la temperatura de la sustancia pura no varía (por eso la temperatura de la mezcla de hielo y agua líquida se mantiene en 0 °C). Cuando todo el sólido se ha fundido, si se sigue suministrando energía, la temperatura del líquido comienza a subir hasta alcanzar la temperatura de ebullición. Mientras el líquido puro hierve se mantiene constante la temperatura (esa es la temperatura de ebullición). Una vez que todo el líquido se ha transformado en vapor, y si se sigue calentando, la temperatura vuelve a subir. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 72 A3.62 ¿A qué temperatura se encuentra el agua obtenida al fundir 1 g de hielo?. A3.63. Disponemos de 100 g de hielo a ‐3 °C y lo calentamos hasta los 135 °C. Dibuja la gráfica aproximada temperatura4iempo para este proceso. Se supone que la presión atmosférica es la de 1 atm. SE LLAMA CALOR LATENTE (Cl) DE CAMBIO DE ESTADO A LA ENERGÍA NECESARIA PARA PRODUCIR EL CAMBIO DE ESTADO DE 1 GRAMO DE ESA SUSTANCIA, CUANDO ESTÁ A LA TEMPERATURA DEL CAMBIO DE ESTADO (SIN QUE IIAYA, POR LO TANTO, NINGÚN CAMBIO EN LA TEMPERATURA) EJERCICIOS PARA ENTREGAR. 1. Calcula la energía necesaria para fundir 20 g de hielo a ‐15 °C y obtener agua líquida a 30 °C. 2. El calor latente de fusión del hielo es de 80 cal/g. ¿Qué significa este dato? Si el calor latente de ebullición del agua es de 540 cal/g, determina la cantidad de calor total puesta en juego en el punto anterior. 3. Se desea determinar el calor específico de un metal. Para ello se toma una muestra del metal de 10 g y se calienta hasta 100 °C; una vez alcanzada dicha temperatura se introduce el trozo de metal en un calorímetro que contiene 50 cc de agua a la temperatura de 18 °C. La temperatura final de equilibrio de la mezcla es 20°C. a) ¿Cómo puedes calentar un trozo de metal justo hasta 100 °C?. b) Determina el calor específico del metal. 4. La combustión de 1 mol de alcohol metílico (CH3OH) produce 173,65 kcal. a) Qué energía se obtiene al quemar 10 cc de alcohol etílico (d = 0,79 g/cc). b) Con el calor generado en la combustión anterior se calientan 2 litros de agua desde los 0ºC ¿cuál será la temperatura alcanzada?. DATOS MASAS ATÓMICAS: C (12) O (16) 5. Un calefactor eléctrico desarrolla una potencia de 500 w. ¿Qué tiempo tardará en calentar dos litros de agua desde 18 °C hasta 60 °C?. 6. Lanzamos verticalmente y hacia arriba un cuerpo de 7 kg de masa con una rapidez de 12 m/s Determina: a) trabajo que se realiza sobre él hasta el momento en que llega a su punto más elevado, indicando la fuerza responsable. b) Energía cinética del objeto cuando pasa por la mitad de su altura 7. Mezclamos 5 1 de agua a 1 20C con 12 1 de este mismo líquido a 580C. Buscando los datos que necesites, determina la temperatura final de equilibrio en la mezcla. 8. ¿Desde qué altura habría que dejar caer un cuerpo para que llegara al suelo con una rapidez de 10 m/s? 9. Determina la cantidad de energía necesaria para llevar 8 g de hielo desde los ‐120C hasta los 8 °C. Busca los datos que necesites. 10. Un cuerpo de 10 kg se deja caer desde una altura de 14 m desde el suelo. Admitiendo que en el impacto, toda la energía se trasforma íntegramente en calor, ¿qué cantidad de hielo a O' C podría derretirse con ese calor? Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 73 11. Deseamos bajar (con rapidez constante) un cuerpo de 40 kg desde una altura de 12 m. Para ello disponemos de 2 opciones: o usar una rampa o una cuerda y hacerlo a pulso. ¿En qué caso hay que realizar un mayor esfuerzo?. ¿Y un mayor trabajo? 12. Si la energía no se crea ni se destruye, ¿qué se ha de entender entonces por el concepto de 'degradación' de la energía? 13. Desde la parte inferior de un plano inclinado 25° sobre la horizontal, sin rozamiento, lanzamos un objeto de 8 kg de masa con una rapidez de 6 m/s, de modo que tras recorrer una cierta distancia por el plano, se detiene y desciende. Se pide: a) realiza un análisis energético de la situación completa; b) determina la distancia que recorre el objeto sobre el plano hasta que se detiene en su punto más alto; c) trabajo TOTAL efectuado sobre el cuerpo en todo el proceso de subida y bajada. 14. ¿Qué significa el dato de que el calor latente de fusión de una sustancia sea de 620 cal/g. Transforma el dato al Sistema Internacional. 15. Si el trabajo para subir un objeto a una altura de 4 m es el mismo si se usa una rampa o se sube a pulso, ¿por qué generalmente decidimos usar la rampa? 16. Un cuerpo de 4 kg de masa circula a 12 m/s sobre una superficie lisa y sin rozamiento, de modo que choca con un resorte (K = 400 N/cm) y lo comprime. Determina cuánto se comprimirá el muelle. 17. El mismo objeto anterior está en la parte superior de un plano inclinado liso (18º) desde donde se suelta, de modo que al finadle su recorrido (de 1,2 m) comprime el mismo muelle de antes. ¿Cuánto se comprimirá ahora? 18. Con un horno microondas de 1000 watios, ¿qué tiempo emplearemos en calentar 550 g de agua desde los 8 hasta los 72ºC? (Calor específico del agua = 1 cal/g ∙ ºC) 7.- TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS EN CIRCUITOS ELÉCTRICOS ELEMENTOS DEL CIRCUITO Un circuito eléctrico consiste en un conjunto de elementos que permiten el movimiento de las cargas eléctricas. Para que se produzca dicho movimiento las cargas han de adquirir energía suficiente, siendo por tanto necesario, en primer lugar, un dispositivo que suministre dicha energía a las cargas. Este dispositivo es el generador. El tipo de generador más usual es la PILA ELÉCTRICA. En ella se produce una + reacción química que proporciona la energía suficiente para el movimiento de las cargas eléctricas. La energía por carga que suministra el generador se denomina Vt FUERZA ELECTROMOTRIZ y su unidad es el VOLTIO (unidad de energía/unidad de carga, esto es julio/culombio) llamada así en honor de Alessandro Volta (1745‐ SÍMBOLODEL GENERADOR 1827), físico italiano descubridor de este fenómeno. En el interior de las pilas existen sustancias con tendencia a perder cargas y otras sustancias con tendencia a ganar. Al producirse la reacción tiene lugar ese movimiento de cargas entre las sustancias: las sustancias iniciales se transforman en otras nuevas y producen la energía suficiente para que se pueda producir la corriente eléctrica. Cada una de esas sustancias se encuentra en una zona determinada de la pila llamada POLO. Para que se produzca el movimiento de cargas entre unas sustancias y otras, es necesario conectar los polos mediante unos cuerpos que permitan el paso de las cargas, es decir CUERPOS CONDUCTORES. Los metales son buenos conductores,: para Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 74 conectar un polo con otro se utilizan cables metálicos, generalmente de cobre, aislados con fundas de plástico (no conductor). Al hacer esta operación se dice que se ha cerrado el circuito. Ahora bien, todas las sustancias, por buenos conductores que sean, ofrecen cierta resistencia al paso de la corriente eléctrica. Para que se produzca la corriente eléctrica es necesaria la transformación de la energía eléctrica de las cargas con el fin de vencer la resistencia. De esa manera, si la resistencia es pequeña, la energía suministrada por la pila podrá ser utilizada por muchas cargas para circular. Si la resistencia es muy grande, será necesaria mucha energía para atravesarla y, por tanto, serán pocas las cargas que puedan hacerlo. Es importante hacer notar que cada carga toma de la pila la energía suficiente para atravesar el circuito y llegar al otro polo para producir reacción química2. Por tanto, al atravesar un cable de cobre o de cualquier conductor, cada carga debe perder poca energía (el calentamiento de los cables indica esa transformación de energía). La utilidad de un circuito reside en aprovechar la energía química de la reacción, la cual se transforma en otros tipos de energía cuando circulan las cargas. Para ello se introducen en los circuitos eléctricos elementos llamados RESISTENCIAS. En las resistencias la energía eléctrica de cada carga se transforma en otro tipo: calor, luz, etc. La energía de cada carga que se transforma en la resistencia se denomina DIFERENCIA DE POTENCIAL y LÁMPARAS lógicamente tiene las mismas unidades que la fuerza electromotriz, es RESISTENCIAS decir el VOLTIO. Las resistencias se pueden conectar de dos formas: CONEXIÓN EN SERIE: Todas las cargas atraviesan todas las resistencias. Las resistencias se conectan una tras otra. CONEXIÓN EN PARALELO: Las cargas se reparten entre las resistencias. Todas las resistencias están conectadas al mismo punto. MONTAJE SERIE MONTAJE PARALELO MONTAJE MIXTO La fuerza electromotriz es la energía total suministrada a cada carga por la reacción química de la pila. Parte de esta energía se transforma en la misma pila (se calienta), de manera que la energía que cada carga tiene a la salida de la pila coincide con la diferencia de potencial del circuito completo. De ahí que las medidas que se efectúan entre los polos de una pila se refieran a diferencia de potencial entre los polos y no a fuerza electromotriz de la pila (ésta será siempre un poco mayor). Se define la intensidad de corriente (I) como la carga que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo, es decir: I = Q t siendo su unidad en el S.I. el C / s llamado Amperio (en honor del físico francés André Marie Ampère, inventor del galvanómetro, aparato básico en las medidas en circuitos eléctricos). 2 En realidad el movimiento que se produce no es el de una carga circulando por todo el circuito. En los metales existen unas zonas llamadas bandas ocupadas por los electrones. El movimiento real se produce porque un electrón pasa de una banda a otra, "empujando" a otro electrón a hacer lo mismo y así sucesivamente. Pero como todos los electrones son iguales podemos imaginar un modelo donde sea un electrón el que se mueva de polo a polo. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 75 Por lo tanto, los elementos que componen un circuito eléctrico son: ‐GENERADORES ó PILAS que suministran energía a las cargas. ‐RESISTENCIAS donde se transforma la energía de las cargas al pasar por ellas. ‐CONDUCTORES para unir elementos y cerrar circuito. Las magnitudes que se pueden medir son (entre paréntesis sus unidades en el S.I.): Diferencia de potencial entre los polos de la pila ó diferencia de potencial entre los extremos de resis‐ tencias (voltio): V. Valor de la resistencia (ohmio): R. Cargas que circulan por unidad de tiempo, esto es la Intensidad de la corriente (culombio/segundo = AMPERIO): I. Para tomar las medidas se utilizan unos aparatos llamados VOLTÍMETROS y AMPERÍMETROS: El voltímetro es un aparato que mide la diferencia de potencial (ddp) entre dos puntos del circuito, debiendo instalarse en paralelo (tiene que conectarse en dos puntos diferentes del circuito). El amperímetro mide la intensidad de la corriente eléctrica que para por un punto. Por tanto para conectarlo, se ha de abrir el circuito por ese punto y conectar el amperímetro en serie en dicho punto. A3.82 Dibuja un circuito con tres resistencias conectadas de tres maneras diferentes y señala en el dibujo la colocación de los instrumentos para medir la intensidad de corriente que circula por cada resistencia y la ddp entre los bornes de cada una de ellas. A3.83 a) Con el material de la figura construye un circuito eléctrico que disponga de: ‐ una lámpara en serie con otras dos en paralelo y todo conectado a la pila. ‐ Instrumentos de medidas conectados correctamente para medir y poder calcular _ _ + V + A fácilmente todas las ddp e intensidades del circuito. Explica las conexiones efectuadas. b) Explica las relaciones existentes entre los valores de las magnitudes medidas en el circuito. A3.84 Haz un estudio energético del brillo de las lámparas del _ _ + A circuito anterior. ¿Qué ocurrirá en caso de fundirse una de las + V lámparas?. Vt A3.85 ¿Cuál es el montaje que habría que efectuar para obtener C la máxima iluminación con las tres lámparas?. ¿Y la mínima?. Explica las razones. B A3.86 Observa el circuito representado en la siguiente figura (los cuadrados representan instrumentos de medidas) y responde a las E_ _ + A + V siguientes cuestiones: a) b) c) d) e) Describe el circuito y los elementos que lo componen. Señala la función de cada instrumento de medida. ¿Qué amperímetro marcará un valor mayor?. ¿Qué mide cada voltímetro?. ¿Se puede calcular la ddp proporcionada por la pila?. A D AMPERÍMETRO VOLTÍMETRO F Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 76 EL PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA nos sugiere un hecho fundamental: la ddp entre dos puntos de un circuito es independiente del camino elegido para ir desde un punto al otro A3.87 Fíjate en el circuito de la figura (todas las lámparas son iguales) y responde a las A B siguientes cuestiones: a) ¿Qué mide el instrumento colocado?. b) ¿Cuál es la ddp de la lámpara C?. c) ¿Cuál es la ddp en las lámparas A y B?. 10 v d) ¿Tendrán las tres lámparas la misma iluminación?. Explica la respuesta. C _ + A RELACIÓN ENTRE LAS VARIABLES: LEY DE OHM A3.88 Tenemos un circuito eléctrico formado por una resistencia variable R conectada a un generador cuya ddp (V) se puede variar. ¿Cómo piensas que variará la intensidad de corriente al modificar los valores de R y de V?. A3.89 En el circuito anterior se mantiene una resistencia constante de 2000 Ω y se varía la ddp del generador, midiendo la intensidad correspondiente. Se obtiene la siguiente tabla de datos: V voltios 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 6,8 8,0 9,0 10,0 I miliamp. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 A. Representa la gráfica entre dichas magnitudes y obtén la relación matemática entre ellas. B. ¿Cuál es el valor de la constante de proporcionalidad?. Dos relaciones importantes se utilizan en el cálculo en circuitos eléctricos: La cantidad de energía transformada en un elemento será el producto de la carga que atraviesa el elemento por la energía por unidad de carga, es decir la ddp del elemento (ley de Joule): ΔE = Q . V = I . t . V = W . t ⇒ W = I . V La intensidad que recorre un elemento es el cociente entre la ddp del elemento y la resistencia del mismo (ley de Ohm): I = V / R A3.90 Una lámpara tiene las siguientes características: 220 V 60 W A. Explica el significado de ambos datos. B. Determina el valor de la resistencia de la lámpara. C. ¿Qué intensidad recorre la lámpara cuando se conecta a 220 V?. ¿Y si se conecta a 120 V?. A3.91 Disponemos de 4 lámparas iguales que conectamos a una batería de 30 voltios. En un primer caso, las colocamos todas en serie. En una segunda ocasión, las montamos todas en paralelo. ¿En qué caso brillarán más?. Explica y demuestra la respuesta. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 77 A3.92 Por dos bombillas, conectadas en paralelo a un generador de 20 voltios, circula una corriente de 1 A y 0,5 A, respectivamente. Determina la intensidad que circularía por cada una de ellas si se conectaran en serie. ASOCIACIONES DE RESISTENCIAS En un montaje de resistencias en serie la intensidad que circula por las resistencia es la misma que la total. La ddp total será la suma de las ddp de cada resistencia: VT = V1 + V2 + V3 = I1 . R1 + I2 . R2 + I3 . R3 = IT . RT RT = R1 + R2 + R3 En un montaje en paralelo la ddp de cada resistencia es igual a la ddp total. La intensidad total será la suma de las intensidades que circulan por cada resistencia. IT = I1 + I2 + I3 = V1 / R1 + V2 / R2 + V3 / R3 = VT / RT 1 / RT = 1 / R1 + 1/R2 + 1/R3 A3.93 En un montaje eléctrico necesitas una resistencia de 5 Ω y otra de 15 Ω. Sin embargo, sólo dispones de resistencias de 10 Ω.. ¿Cómo conseguirías estas resistencias?. A3.94 ¿Pueden conectarse dos bombillas de 125 V a una instalación a 220 V sin que se fundan? A3.95 ¿Cómo se agotará una pila antes: con una lámpara sola o con dos en serie?. Explica la respuesta. A3.96 A la salida de un generador la ddp es de 20000 V y la intensidad de corriente que circula por una resistencia de 0.01 Ω es 50 A. Calcula: a) La caída de tensión en los cables. b) La energía que se "pierde" en 10 minutos. A3.97 Tenemos tres lámparas cuyas resistencias son de 2, 6 y 9 Ω respectivamente. Determina la energía que se transfiere en cada una de ellas al conectar un generador de fem constante a 100 voltios cuando: a) Las conectamos todas en serie. b) Las conectamos todas en paralelo. c) Conectamos la de 2 y 9 Ω en paralelo y la de 6 Ω en serie con ellas. d) ¿En qué caso la intensidad de corriente que atraviesa cada resistencia será mayor? A3.98 Con ayuda de un generador cuya fem es de 12 voltios, y de 4 resistencias de 3 Ω cada una, se desea obtener una intensidad de corriente de 2 A. Diseña el esquema del montaje, utilizando todos los elementos señalados. Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán. FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. BLOQUE 3:CONCEPTOS BÁSICOS ACERCA DE LA ENERGÍA. Página | 78 A3.98 Fíjate en el circuito de la siguiente figura. Las bombillas M y N están encendidas. Quitamos N del casquillo, Responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué le ocurre a la ddp entre los bornes de la pila?. b) ¿Qué le ocurre a la resistencia equivalente del circuito?. c) ¿Qué le ocurre a la intensidad total?. d) ¿Variará la ddp entre A y C al eliminar la bombilla N?. e) ¿Qué le ocurrirá a la ddp entre D y E?. A3.99 Una lámpara tiene las siguientes características: 6 V, 25 W. Responde a las siguientes cuestiones: a. ¿Podemos conectar la lámpara a una pila de 12 V?. Explica lo que puede ocurrir. b. Determina el valor correspondiente a la resistencia de la lámpara. 12 V + A A3.100 Con cuatro lámparas iguales a las del ejercicio anterior se monta el siguiente circuito: Determina la resistencia total del circuito. Calcula la intensidad que circula por cada lámpara. ¿Qué potencia se transforma en cada lámpara? ¿Se fundirá alguna?. _ Materiales de estudio para la asignatura de FÍSICA 4º Curso de Educación Secundaria. Itinerario de Ciencias. Departamento de Física y Química. “Sapere Aude” Prof. Rafael González Farfán.
