La energía es la capacidad de un sistema para producir cambios. No se crea ni se destruye: se transforma y se transfiere de un cuerpo a otro. Hay dos formas de transferirla: el trabajo, cuando una fuerza desplaza un cuerpo, y el calor, cuando hay diferencia de temperatura. En esta lección calculas energías, trabajos, potencias y calores.
Objetivos
- Calcular la energía cinética, la potencial gravitatoria y la mecánica
- Aplicar el principio de conservación de la energía mecánica
- Calcular el trabajo de una fuerza, la potencia y el rendimiento
- Calcular el calor intercambiado al cambiar la temperatura o el estado
1. La energía mecánica
Ec = · m · v² ; Ep = m · g · h ; Em = Ec + Ep
Conservación de la energía mecánica: Si solo actúa el peso (sin rozamiento), la energía mecánica se mantiene constante: lo que se pierde de potencial se gana de cinética, y al revés.
Dejamos caer una pelota desde 5 m. ¿Con qué velocidad llega al suelo? (g = 9,8 m/s²)
- Arriba: Em = m · g · h (v = 0)
- Abajo: Em = ½ · m · v² (h = 0)
- m · 9,8 · 5 = ½ · m · v² ⟹ v² = 98
- v = √98 ≈ 9,9 m/s
v ≈ 9,9 m/s (no depende de la masa)
2. Trabajo y potencia
W = F · Δx · cos α
- Fuerza en el sentido del movimiento (α = 0°): W = F · Δx, positivo.
- Fuerza perpendicular al movimiento (α = 90°): W = 0. El peso no trabaja en un desplazamiento horizontal.
- Fuerza opuesta al movimiento (α = 180°), como el rozamiento: W negativo.
Teorema de la energía cinética: el trabajo total realizado sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética, W = ΔEc.
P = ; rendimiento = · 100
Un motor sube 200 kg a 10 m de altura en 20 s. ¿Qué potencia útil desarrolla?
- W = m · g · h = 200 · 9,8 · 10 = 19 600 J
- P = 19 600 ÷ 20
P = 980 W
3. Calor y temperatura
La temperatura mide la agitación media de las partículas; el calor es la energía que pasa de un cuerpo a otro por estar a distinta temperatura, siempre del más caliente al más frío, hasta alcanzar el equilibrio térmico. T(K) = t(°C) + 273.
Q = m · c · ΔT
Calor necesario para calentar 2 kg de agua de 20 °C a 70 °C
- Q = 2 · 4180 · (70 − 20)
- Q = 418 000 J
Q = 418 kJ
Durante un cambio de estado la temperatura no varía: el calor se emplea en separar las partículas. Q = m · L, donde L es el calor latente (agua: fusión ≈ 334 000 J/kg; vaporización ≈ 2 260 000 J/kg).
- Conducción: por contacto, sobre todo en sólidos (los metales son buenos conductores).
- Convección: en fluidos, por corrientes de materia caliente que sube.
- Radiación: por ondas electromagnéticas, incluso en el vacío (el calor del Sol).
Recuerda
- Ec = ½ · m · v²; Ep = m · g · h; sin rozamiento Em se conserva.
- W = F · Δx · cos α; W total = ΔEc.
- P = W/t (vatios); rendimiento = útil/consumida · 100.
- Q = m · c · ΔT; en un cambio de estado Q = m · L y la temperatura no varía.
- El calor pasa del cuerpo caliente al frío hasta el equilibrio térmico.
¡Ahora te toca a ti!
Comprueba que lo has entendido con los ejercicios y repasa con el resumen.