ENERGÍA, TRABAJO Y P.C.E.M.

TRABAJO

• Definición:

En el lenguaje cotidiano se utiliza con frecuencia la palabra trabajo con varios significados poco precisos, relacionados con la fatiga que nos puede producir que con el hecho físico. Así, decimos que nos cuesta trabajo ponernos a estudiar o que resulta trabajoso estar de pie, etc. En Física se utiliza el término con un significado preciso que no tiene nada que ver: la palabra trabajo está relacionada con el intercambio de energía.

El trabajo se introdujo en la Física a finales del S XVIII en la revolución industrial para comparar las capacidades de dos máquinas. La capacidad de una máquina estaba relacionada con el peso que era capaz de subir (ej: carbón de una mina) y la altura a la que podía elevarlo. En aquella época se definió como el producto del peso por la altura.

Esa definición se puede generalizar a cualquier situación en la que se haga una fuerza que pueda desplazar a un cuerpo. Así, si queremos saber la capacidad de una máquina para arrastrar cuerpos, convendría saber qué fuerza es capaz de hacer y la distancia que ha arrastrado al cuerpo.

Energía intercambiada = Trabajo = Fuerza . Distancia recorrida

∆E = W = F. ∆x

Por tanto, en Física solo decimos que existe trabajo cuando actúa una fuerza y se provoca un desplazamiento por acción de esa fuerza. Por ejemplo, solo se realiza trabajo físico si un chico arrastra una maleta, no cuando camina con una mochila cargada a su espalda.

Matemáticamente, se calcula multiplicando el módulo del vector fuerza por el desplazamiento.

• En el S.I. el trabajo se mide en Julios (J) 1 J = 1 N. m = 1 kg m2/s2   (unidades de energía)
• 1 J es el trabajo que se produce cuando sobre un cuerpo (o sistema material) actúa una fuerza de un newton (N) y le provoca un desplazamiento de un metro (m) en la dirección y sentido de la fuerza.
• Aparece el coseno porque es necesario informar sobre el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento.
• Casos en los que W = 0. (1) Si el ángulo es 90^o, (2) si no se produce desplazamiento o (3) si no hay una fuerza actuando (F = 0).

• Distinguimos:

- El trabajo de la fuerza rozamiento (fuerza disipativa) es negativo. ¿Por qué es negativo? Es negativo porque las fuerzas de fricción son fuerzas disipativas y "extraen" energía del cuerpo o sistema. Matemáticamente, tiene signo negativo (el sentido físico es porque es contraria al movimiento) W_roz= F_roz.∆x. cos180^o

- El trabajo modifica la energía cinética de un cuerpo. W_F = ∆Ec

- El trabajo modifica la energía potencial de un cuerpo W_F = ∆Ep

Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza que provoca cambios en su velocidad o en su posición, el trabajo de esa fuerza es igual a la variación de energía mecánica que experimenta el cuerpo. 

W_F = ∆E_M

• Principio de conservación de energía mecánica: Si la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo es su propio peso (fuerza conservativa), su energía mecánica se mantiene constante. Pero si existe rozamiento, la energía se degrada en forma de calor y la energía mecánica del sistema no se conserva. (Por tanto, para que la energía se conserve habría que sumarle el trabajo de la fuerza de rozamiento que representa la energía disipada).

• Ideas claras:

• El trabajo es otra forma de medir la energía intercambiada entre dos sistemas. Su unidad es la misma que la de energía, es decir, el JULIO.
• El trabajo no es una forma de energía igual que lo puede ser la energía cinética o la potencial gravitatoria. Un cuerpo puede tener energía cinética o potencial, pero no tener trabajo.
• Al actuar sobre un sistema podemos darle o podemos quitarle energía. Cuando las fuerzas están dirigidas en el mismo sentido en el que se produce desplazamiento contribuyen a aumentar la energía cinética del cuerpo sobre el que se aplican y decimos que hacen un trabajo positivo. Sin embargo, las fuerzas dirigidas en sentido contrario al del movimiento, como es el caso del trabajo de la fuerza de rozamiento, disminuyen la energía del sistema: decimos que hacen un trabajo negativo.

W > 0 → Aumenta la energía del sistema 

 W < 0 → Disminuye la energía del sistema

• Hay que distinguir claramente entre trabajo y fuerza. Para que haya trabajo se necesita que exista una fuerza y que además desplace el punto de aplicación de dicha fuerza. Cuando un cuerpo cuelga de una cuerda, la cuerda tiene que hacer 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. Es un ejemplo en el que hay fuerza y no se realiza trabajo.

(INTERESANTE, A PARTIR DEL PRIMER MÍNUTO, 1:10)

LA ENERGÍA es una propiedad de los cuerpos/sistemas materiales que les permite producir cambios. En el Sistema Internacional la energía se mide en julios (J). Para algunos tipos de energía se utilizan otras unidades, p. ej., el calor se mide en calorías (cal).

1J = 0,24 cal;    1 cal = 4,18 J;   1 kcal = 1 000 cal

* 1 J es la energía que tiene un cuerpo de 1 kg que se mueve a una velocidad de 1 m/s.
* 1 cal es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1g de agua 1 ^oC.

• Tipos de energía:

A. Energía mecánica (E_M): Es la energía ligada a la posición y al movimiento de los cuerpos. La energía mecánica de un cuerpo es la suma de su energía cinética (E_c) y su energía potencial (E_p)

E_M = E_c + E_p

a) La energía cinética es la energía que tienen los cuerpos por el hecho de estar en movimiento. Su valor depende de la masa del cuerpo (m) y de su velocidad (v):

E_c= 1/2 m. v²

b) La energía potencial es la energía que tienen los cuerpos por ocupar una determinada posición. Hablamos, entre otras, de:

    b1) Energía potencial gravitatoría (E_pg) es la energía que tienen los cuerpos por estar en un determinado lugar sobre el suelo terrestre. Su valor depende de la masa del cuerpo, del valor de g en el lugar y de la altitud. Consideramos que Epg = 0 en la superficie terrestre.

E_p = m.g.h

    b2) Energía potencial elástica es la energía que tienen los cuerpos que sufren una deformación. Su valor depende de la constante de elasticidad del cuerpo, k y de lo que se a deformado (x).

         
  E_E= 1/2 k.x²

B. Energía térmica (calor): Es la energía que se transfiere cuando se ponen en contacto cuerpos que están a distinta temperatura.

C. Energía química: Es la energía debida a los enlaces que se establecen entre los átomos y demás partículas que forman una sustancia.

D. Energía nuclear: Es la energía que emiten los átomos cuando sus átomos se rompen (energía de fisión) o se unen (energía de fusión).

E. Energía radiante: Es la energía que se propaga mediante ondas electromagnéticas, como la luz. Ej.: los rayos X (R-X), las microondas, los rayos ultravioleta (R-UV), etc.

• Propiedades de la energía:

- La energía se transfiere de unos cuerpos a otros. De forma mecánica (mediante la realización de un trabajo) y de forma térmica (mediante el intercambio de calor).

- La energía se puede almacenar (pilas, acumuladores) y transportar (tendido eléctrico).

- La energía se transforma (Ec ↔ Ep).

- La energía se degrada, En una transformación, parte de la energía puede formar parte de su energía interna del propio cuerpo o se pierde en forma de energía térmica o calor.

- En cada transformación, la energía total se conserva. Si incluimos, claro, la energía que se degrada (energía que se pierde y que no se puede recuperar).

• Principio de conservación de la energía mecánica:

Si la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo es su propio peso, su energía mecánica se mantiene constante. En  niveles superiores diremos: "si no existen fuerzas disipativas, la energía mecánica se conserva".

Es decir: ⛰E_M = 0

E_MA = E_MB → E_CA + E_PA = E_CB + E_PB

VIDEO: Sobre la energía mecánica.

IMPORTANTE: El P.C.E (Principio de Conservación de la Energía) se cumple siempre, en el Universo la energía permanece constante. El PCEM, no (solo si no existen fuerzas disipativas).

VIDEO: Experimento Conservación Energía Mecánica.

MATERIAL COMPLEMENTARIO Y AUTOEVALUACIÓN: Aquí

ACTIVIDADES ON LINE: Aquí

Cálculo de energía mecánica (Ejemplo 2º ESO):

https://youtu.be/atXdOPHgquI

Aplicación del principio de conservación de la energía (PCEM) (Ejemplo 2º y 4º ESO):

https://youtu.be/7UnIZUE76mM

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POTENCIA

Cuando un máquina realiza un trabajo, no solo interesa la cantidad de energía, sino también el tiempo que tarda en hacerlo. Así, decimos que un coche es más potente si es capaz de pasar de 0 a 100 km/h de velocidad en menos segundos.

• Potencia: Es una magnitud física que relaciona el trabajo realizado con el tiempo que emplea para ello. P = W / t

- En el SI se mide en vatios (W). Un vatio es la potencia de una máquina que puede realizar un trabajo de un julio en un segundo (1 W = 1 J/ 1 s). Un kilovatio (kW) son 1000 W
- Otras unidades de potencia son:

- Los caballos de vapor: 1 CV = 736 W
- El kWh es una unidad de trabajo o de energía que equivale a 3600 kJ;
1 kWh = 103 W. 3600S = 3600.103 J = 3600 kJ

• Las máquinas mecánicas son dispositivos que transforman una energía o un trabajo en otro que resulte más provechoso.

Se llama rendimiento de una máquina (η) a la relación entre trabajo útil que se obtiene y el trabajo aplicado o motor. Habitualmente se expresa en porcentaje.

η = (Wútil/Wmotor) . 100 = (P_útil/P_teórica). 100

LAS FUENTES DE ENERGÍA

• Una fuente de energía es cualquier material o recurso natural del cual se puede obtener energía, bien para utilizarla directamente o bien para transformarla en otra energía más cómoda.

• Clasificación:

1. No renovables: Si se encuentran de forma limitada en la naturaleza y se consumen a un ritmo mayor del que se producen por lo que acabarán agotándose. Ej: combustibles fósiles (petróleo, carbón, gas natural) y energía nuclear.
   Renovables: Se recuperan tras utilizarse. No se agotan. Ej: Energía hidráulica, eólica, solar, geotérmica, mareomotriz, de la biomasa y biocombustibles (bioetanol, biodiésel).
2. Contaminantes: al utilizarlas producen residuos contaminantes (combustibles fósiles)
   Limpias: Al utilizarlas no generan residuos contaminantes, suelen coincidir con las renovables, no obstante, muchas instalaciones producen un gran impacto ambiental (hidráulica, eólica, solar).
3. Por su uso se clasifican en convencionales (combustibles fósiles) o alternativas (las renovables).

• Aprovechamiento de las fuentes de energía: La mayoría no se utilizan directamente sino que se transforman en energía eléctrica, más fácil de transportar y utilizar.

Ejemplo 1: Combustibles fósiles. La energía acumulada en los enlaces químicos (E. Química) se libera en la combustión y se emplea en calentar agua. El vapor de agua pasa a mover una turbina. El movimiento de la turbina se transmite a un generador que produce energía eléctrica.

Energías implicadas: Química → Térmica → Cinética → Eléctrica

Ejemplo 2: La energía potencial del agua embalsada se aprovecha para hacer girar turbinas a su paso. Un generador transforma esta energía mecánica en eléctrica.

Energías implicadas: Potencial → Cinética → Eléctrica