DEPARTAMENTO DE FISICA RELACION TRABAJO Y ENERGIA Transferencia

DEPARTAMENTO DE FISICA RELACION TRABAJO Y ENERGIA

Transferencia de energía: trabajo 1 Los sistemas físicos tienen energía Se denomina sistema físico a cualquier parte del universo que se puede elegir de forma individualizada como objeto de estudio Los procesos de cambio en la naturaleza necesitan energía, la cual se presenta de diversas formas CINÉTICA asociada al movimiento POTENCIAL asociada a la posición QUÍMICA alimentos y combustibles RADIANTE suministrada por la luz ELÉCTRICA NUCLEAR LUMINOSA SONORA La energía es una propiedad de los cuerpos y sistemas físicos que les permite experimentar cambios. Puede presentar diversas formas y transformarse de una a otra

Transferencia de energía: trabajo 2 Características de la energía puede transferirse de unos sistemas a otros se conserva LA ENERGÍA se degrada puede ser almacenada y transportada Un sistema físico que no intercambia energía con ninguno de los sistemas físicos que lo rodean se denomina sistema aislado

Transferencia de energía: trabajo 3 Formas de transferir la energía Las transferencias de energía entre sistemas se pueden llevar a cabo mediante dos formas posibles que permiten medir las variaciones de energía en los sistemas que interaccionan TRABAJO es un método de transferencia energética entre sistemas donde intervienen fuerzas que provocan desplazamientos CALOR es un método de transferencia energética entre sistemas por el solo hecho de una diferencia de temperaturas entre ellos La unidad de energía en el Sistema Internacional es el julio (J)

Transferencia de energía: trabajo 4 La energía mecánica Se denomina energía mecánica de un cuerpo a la que posee en virtud de su velocidad o de su posición, magnitudes que definen el estado mecánico de un cuerpo. Puede ser cinética, potencial o la suma de ambas CINÉTICA POTENCIAL Es la energía debida al movimiento de un cuerpo y depende de su masa (m) y su velocidad (v) Ec = Es la energía debida a las posiciones relativas que ocupan las partículas. Respecto al centro de la Tierra se llama energía potencial gravitatoria y depende de la masa (m) y de la altura (h) 1 mv 2 2 Ec = mgh La energía potencial gravitatoria depende siempre del punto de referencia respecto del cual se miden las alturas ΔEp = Epf – Epi = mghf – mghi = mg(hf – hi) = mgΔh

Transferencia de energía: trabajo 5 El trabajo como forma de transferir energía El valor del trabajo T realizado por la fuerza F sobre un cuerpo se puede calcular con el producto del módulo de la fuerza por el desplazamiento e de su punto de aplicación El trabajo de una fuerza sobre un cuerpo puede ser § Positivo o trabajo motor, cuando se incrementa la energía del cuerpo § Nulo, cuando la fuerza es perpendicular a la dirección del desplazamiento § Negativo o trabajo resistente, cuando la energía del cuerpo disminuye El trabajo realizado por una fuerza sobre un sistema es una forma de variar la energía del mismo, así pues, la energía y el trabajo se miden en las mismas unidades La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el julio (J)

Transferencia de energía: trabajo 6 Trabajo y energía potencial Para elevar un cuerpo de masa m desde una altura ho hasta una altura h se precisa aplicar una fuerza mg que equilibre el peso del cuerpo y desplazar el punto de aplicación de la fuerza a lo largo de la distancia h–ho El trabajo realizado por el cuerpo será T = mg(h – ho) El trabajo se ha invertido en incrementar la energía potencial gravitatoria del cuerpo T = mgh – mgho = Epfinal – Epinicial = Ep El trabajo realizado al elevar un cuerpo es igual al incremento de su energía potencial gravitatoria

Transferencia de energía: trabajo 7 Trabajo y energía cinética Si sobre un cuerpo que se mueve con una velocidad vo se aplica una fuerza neta constante F a lo largo de una distancia e, la velocidad final v del móvil se expresa según v 2 – vo 2 = 2 a e (a = aceleración del cuerpo) De acuerdo con el 2º principio de la dinámica: F = ma ½ mv 2 – ½mvo 2 = ma e ½ mv 2 – ½mvo 2 = F e = T = Ec El valor del trabajo realizado por una fuerza neta constante sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética

Transferencia de energía: trabajo 8 Principio de conservación de la energía mecánica (I) La energía mecánica total (EMT) de un cuerpo es la suma de su energía cinética y de su energía potencial EMT = EC + EP Si no hay fuerzas de rozamiento, la EMT de un cuerpo se mantiene constante Por ejemplo: si un cuerpo de masa m se encuentra a una altura h 1 con una velocidad v 1 dirigida hacia abajo, y al cabo de cierto tiempo se encuentra a una altura h 2 con una velocidad v 2 también hacia abajo, se tiene según las ecuaciones del m. r. u. a v 2 2 – v 12 = 2 g(h 1– h 2) (g = gravedad) 1 multiplicando por m 2 1 1 mv 2 2 – mv 12 = mgh 1 – mgh 2 2 2 y reagrupando términos 1 1 mv 12 + mgh 1 = mv 22 + mgh 2 2 2 EC 1 + EP 1 = EC 2 + EP 2 = EMT

Transferencia de energía: trabajo 9 Principio de conservación de la energía mecánica (II) En ausencia de rozamiento, la energía mecánica de un cuerpo se conserva, pero si hay rozamientos, parte de la energía se disipa caloríficamente La bola disipa energía mecánica por rozamiento y termina parándose

Transferencia de energía: trabajo 10 Rapidez en la transferencia de energía: la potencia El valor numérico del trabajo realizado por una fuerza es independiente del tiempo empleado en realizarlo, por lo que es conveniente definir una nueva magnitud LA POTENCIA Es la energía transferida en cada unidad de tiempo durante una transformación, es decir, el trabajo realizado por unidad de tiempo E T P= t La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio (W) Otras unidades de potencia son 1 W= 1 k. W = 1000 W 1 MW = 106 W 1 CV = 735 W El kilovatio-hora (k. Wh) es una unidad de energía y de trabajo 1 k. Wh = 1 k. W · 1 h = 1000 J/s · 3600 s = 3, 6· 106 J 1 J 1 s

Transferencia de energía: trabajo 11 Trabajo en máquinas simples A las máquinas simples se les suministra energía mediante trabajo, y éstas aplican, a su vez, una fuerza sobre la carga y la desplazan, es decir, también realizan un trabajo El trabajo de la fuerza P aplicada a la máquina (potencia) es igual al trabajo de la fuerza R ejercida por ella (resistencia) Pe. P = Re. R e. P y e. R son los desplazamientos respectivos de los puntos de aplicación de las fuerzas P y R En una máquina simple, el producto de la fuerza de potencia por su desplazamiento es igual al producto de la fuerza de resistencia por el suyo Las máquinas simples permiten un empleo más eficaz de las fuerzas Se puede realizar el mismo trabajo con una fuerza menor siempre que recorra un desplazamiento mayor

Transferencia de energía: trabajo 12 Intercambios energéticos en la palanca En una palanca, los desplazamientos de las fuerzas potencia (e. P) y resistencia (e. R) son proporcionales a sus brazos b. P y b. R e. P b. P = e. R b. R Como Pe. P = Re. R => Pb. P = Rb. R LEY DE LA PALANCA El producto de la potencia por su brazo es igual al de la resistencia por el suyo

Transferencia de energía: trabajo 13 Intercambios energéticos en la polea En una polea simple, las fuerzas de potencia y de resistencia y sus desplazamientos son iguales: P = R En una polea compuesta, para subir un peso R a una altura h hay que tirar de la cuerda una longitud igual al doble de h; por tanto: P 2 h = Rh Es decir, para subir una carga hay que aplicar una fuerza igual a la mitad del peso: P = R/2

Transferencia de energía: trabajo 14 Intercambios energéticos en el plano inclinado En una plano inclinado, el trabajo necesario para elevar un cuerpo de masa m una altura h es T = FL W = mgh Si el cuerpo se sube a la misma altura aplicando una fuerza F a lo largo de un plano inclinado de longitud L, el trabajo es FL = mgh F = mgh/L

Transferencia de energía: trabajo 15 Intercambios energéticos en el torno Un torno consta de un cilindro en el que se enrolla una cuerda que sujeta la carga que se quiere elevar, mediante un brazo o manivela se ejerce una fuerza que hace girar el torno Si r es el radio del cilindro, en cada vuelta el peso mg se eleva una altura 2 r; el trabajo realizado es T=2 rmg Si L es la longitud de la manivela sobre la que se ejerce una fuerza F, en cada vuelta el punto de aplicación de esa fuerza se desplaza 2 L; el trabajo realizado es T=F 2 L Por tanto: F 2 L = 2 r m g F=rmg/L Utilizando el plano inclinado y el torno se realiza el mismo trabajo que elevando el peso verticalmente, pero la fuerza F necesaria es menor que el peso

Transferencia de energía: trabajo 16 Rendimiento de las máquinas Las máquinas no transforman íntegramente en trabajo útil la energía que se les suministra Trabajo útil < Energía suministrada El rendimiento de una máquina se calcula con el cociente entre el trabajo útil que proporciona dicha máquina y la energía que se le ha suministrado La energía disipada mediante calor no se aprovecha como trabajo útil r= Trabajo útil Energía suministrada

Transferencia de energía: calor 17 Teoría cinética de la materia TEORÍA CINÉTICA • La materia está formada por pequeñas partículas que ejercen entre sí fuerzas de atracción y repulsión SÓLIDO: las fuerzas son muy intensas y mantienen a las partículas vibrando en torno a posiciones fijas • Las partículas que forman la materia están en continuo movimiento, desordenado y al azar (movimiento térmico) Explica los diferentes estados de agregación LÍQUIDO: se dan condiciones intermedias entre el estado sólido y el gaseoso GASEOSO: las partículas se mueven desordenadamente chocando entre sí y con las paredes del recipiente, mientras que las fuerzas son prácticamente nulas

Transferencia de energía: calor 18 La energía interna. Factores de los que depende Las partículas que forman la materia tienen energía cinética debida a su movimiento térmico y energía potencial debido a sus posiciones relativas La suma de las energías cinéticas y potencial de todas las partículas que forman un cuerpo, es su energía interna (U) Depende de: • La cantidad de sustancia. A mayor cantidad de sustancia habrá más partículas y la suma de las energías cinéticas y potenciales será mayor • El tipo de sustancia. Las energías potenciales de los átomos moléculas o iones que constituyen una sustancia dependen de las posiciones relativas de éstos, y por tanto, la energía interna también lo hará • La temperatura. Las variaciones de temperatura suponen variaciones en la velocidad de las partículas y en su movimiento térmico con lo que varía su energía cinética y por tanto, su energía interna Es imposible conocer el valor exacto de la energía interna; solamente podemos conocer sus variaciones entre dos estados U = Ufinal – Uinicial

Transferencia de energía: calor 19 Teoría cinética y temperatura La teoría cinética define el concepto de temperatura a partir de la energía cinética media de las partículas que forman un gas La presión de un gas se debe a los choques de sus partículas contra las paredes del recipiente que los contiene. Dicha presión es proporcional a la densidad del gas y al cuadrado de la velocidad de sus partículas p = 1/3 dv 2 Presión y temperatura son magnitudes proporcionales a volumen constante. La temperatura es función de la energía cinética media de las partículas 2 EC T= 3 k EC = 3 k. T 2 Donde k es la denominada constante de Boltzmann, cuyo valor es k = 1, 38· 10– 23 J/K

Transferencia de energía: calor 20 Equilibrio térmico. Temperatura Cuando dos cuerpos, a distinta temperatura (T) entran en contacto Transferencia de energía del cuerpo que está a mayor T hacia el que está a menor T Cuando las temperaturas se igualan y cesa la transferencia de energía, se dice que los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico Las partículas de ambos cuerpos interaccionan mediante choques hasta que todas adquieren la misma energía cinética media La temperatura es la magnitud común a dos cuerpos que están en equilibrio térmico

Transferencia de energía: calor 21 Medida de la temperatura. Termómetros Se puede conocer la temperatura de un cuerpo haciendo que alcance el equilibrio térmico con otro de temperatura conocida TERMÓMETROS Se construyen utilizando propiedades de los cuerpos que varíen proporcionalmente con la temperatura La dilatación de las sustancias Las dimensiones de los cuerpos varían con la temperatura La resistencia eléctrica Existen materiales semiconductores cuya resistencia es extremadamente sensible a los cambios de temperatura Se calibran tomando como referencia dos sucesos que siempre ocurran a la misma temperatura (puntos fijos): la fusión y la ebullición del agua a 1 atm de presión

Transferencia de energía: calor 22 Escalas termométricas ESCALA CENTÍGRADA (CELSIUS) Punto de fusión del agua: 0 ºC Punto de ebullición del agua: 100 ºC ESCALA FAHRENHEIT Punto de fusión del agua: 32 ºF Punto de ebullición del agua: 212 ºF ºC/100 = (ºF– 32)/180 ESCALA KELVIN Punto de fusión del agua: 273 K Punto de ebullición del agua: 373 K T (K) = 273 + ºC

Transferencia de energía: calor 23 Mecanismos de transmisión de energía mediante calor Calor es el proceso de transferencia de energía de un cuerpo a otro como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ellos. Tiene tres posibles mecanismos CONDUCCIÓN: se produce propagación de calor sin desplazamiento de materia Las partículas reciben energía y aumentan su velocidad comunicando a su vez, mediante choques, energía a las que están en su entorno. El proceso se repite por todo el cuerpo produciéndose el aumento de temperatura CONVECCIÓN: la transmisión de energía mediante calor se realiza con transporte de materia Las partículas con mayor temperatura ascienden porque aumenta su volumen y disminuye su densidad. Las partículas con menor temperatura y mayor densidad descienden, ocupando la zona que ha quedado libre. Así, al cabo de cierto tiempo, la temperatura del sistema se hace uniforme RADIACIÓN: es la propagación de energía mediante ondas electromagnéticas Las ondas electromagnéticas no necesitan ningún medio material para su propagación. Todos los cuerpos por el hecho de estar a una temperatura por encima del cero absoluto radian energía Cualquier mecanismo tiene por finalidad transmitir energía a los cuerpos que se encuentran a menor temperatura hasta que se produce el equilibrio térmico

Transferencia de energía: calor 24 Energía interna de un sistema y su variación La ENERGÍA INTERNA (U) de un sistema es la suma de las energías cinética y potencial de sus partículas, y varía mediante calor o trabajo CALOR (Q) TRABAJO (T) Es el proceso de transmisión de energía entre sistemas que están a diferentes temperaturas hasta alcanzar el equilibrio térmico Es el proceso de transmisión de energía entre sistemas mediante la aplicación de una fuerza que desplaza su punto de aplicación U = Ufinal – Uinicial = Q + T La energía interna de un sistema físico puede aumentar o disminuir mediante calor o trabajo

Transferencia de energía: calor 25 Criterio termodinámico de signos se considera positivo el trabajo que se ejerce sobre el sistema y el calor que se comunica al sistema Q>0 T>0 SISTEMA Q<0 T<0 se considera negativo el trabajo que ejerce el sistema y el calor que pasa del sistema al exterior

Transferencia de energía: calor 26 Capacidad calorífica y calor específico La capacidad calorífica se define como la cantidad de calor que una sustancia absorbe para elevar un grado su temperatura El calor específico (ce) de una sustancia es la energía que absorbe mediante calor un kilogramo de la misma para elevar la temperatura en un grado kelvin Las unidades de ce en el S. I. son J/(kg·K) La energía que hay que comunicar mediante calor a una sustancia para variar su temperatura desde ti hasta tf Q = mce(tf–ti) Siempre que dos cuerpos intercambian energía mediante calor, la energía perdida por uno de ellos es igual a la energía ganada por el otro (principio de conservación de la energía) Qcedido + Qabsorbido = 0

Transferencia de energía: calor 27 Efectos del calentamiento de la materia La energía transferida a una sustancia sólida o líquida mediante calor produce un aumento de la EC de sus partículas y por tanto, un aumento de su velocidad Cuando las partículas no pueden seguir aumentando su EC y mantener su estado de agregación, toda la energía que reciben la transforman en EP, debilitando las fuerzas de atracción que las une y provocando el cambio de estado (fusión o ebullición) Tebullición La energía Q necesaria para producir un cambio de estado depende de Q = L·m Tfusión L: calor latente m: masa Durante un proceso de cambio de estado, la temperatura de una sustancia pura permanece constante

Transferencia de energía: calor 28 Dilatación de sólidos y líquidos Siempre que un cuerpo sufre una variación de su temperatura, experimenta cambios en sus dimensiones que se conocen como dilatación o contracción T T amplitud del movimiento vibratorio volumen DILATACIÓN CONTRACCIÓN La variación de longitud se define mediante el coeficiente de dilatación lineal ( ), que es la variación de longitud que experimenta un metro de cualquier sustancia cuando la temperatura se modifica un grado El incremento de longitud de un cuerpo se calcula L = L – L 0 = L 0(t – t 0) La variación de longitud se define mediante el coeficiente de dilatación cúbica ( ), que es la variación de volumen que experimenta un metro cúbico de cualquier sustancia cuando la temperatura se modifica un grado El incremento de volumen de un cuerpo se calcula Como el aumento de volumen supone un aumento lineal en las tres dimensiones V = V – V 0 = V 0(t – t 0) = 3

Transferencia de energía: calor 29 Dilatación de gases La consecuencia de los choques de las partículas de un gas con las paredes del recipiente es la presión p T velocidad de movimiento de las partículas nº de choques La presión depende de la cantidad de partículas encerradas (N), del volumen disponible (V) y de la energía cinética media de las partículas presión p= 2 N E 3 V C Para mantener la presión constante, debe aumentar el volumen del recipiente. Aunque el mecanismo por el que aumenta el volumen es diferente al de sólidos y líquidos, la ecuación que describe el fenómeno es igual V = V – V 0 = V 0(t – t 0) V = V 0 (1 + t) Todos los gases tienen el mismo coeficiente de dilatación , pues la distancia entre partículas es tan grande que la naturaleza de la sustancia que forma el gas no influye en su comportamiento 1 = ºC– 1 273 V = V 0 (1 + 1 273 + t t) = V 0 273 T T 0 El volumen de una masa de gas a presión constante es directamente proporcional al valor de su temperatura en grados Kelvin V T = V 0 T 0

Transferencia de energía: calor 3* Intercambios energéticos en máquinas térmicas Se denominan máquinas térmicas a los dispositivos que efectúan trabajo utilizando la energía interna de un sistema mediante un proceso de paso de energía desde un foco calorífico a otro, que está a menor temperatura La máquina de vapor: el combustible calienta una masa de agua hasta que la transforma en vapor, aumentando considerablemente su volumen y desplazando un émbolo, realizando así un trabajo. Después, el vapor abandona el sistema y pasa a un condensador que está a una temperatura mucho menor. El émbolo vuelve a su posición inicial y espera a que una nueva masa de vapor lo desplace de nuevo

Transferencia de energía: calor 31 Rendimiento en máquinas térmicas Es imposible construir una máquina térmica que convierta totalmente una determinada cantidad de calor en energía mecánica El rendimiento se calcula dividiendo la energía útil entre la energía disponible. Se expresa en % = Energía útil Q 1 – Q 2 · 100 = · 100 Energía disponible Q 1 Energía útil: es el trabajo obtenido Energía disponible: es el calor transferido por el foco caliente El rendimiento se puede expresar también en función de las temperaturas absolutas de los focos = T 1 – T 2 · 100 T 1 El rendimiento de una máquina nunca es el 100 % como consecuencia de las pérdidas que se producen al calentar el entorno

Transferencia de energía: calor 32 La degradación de la energía y el problema energético Según el principio de conservación de la energía toda la energía interna que intercambia un sistema se convierte en otras clases de energía sin variar su valor Sin embargo un sistema que recibe calor no puede transferir íntegramente la energía recibida mediante trabajo Problema energético En los procesos naturales, cuando hay un desplazamiento (trabajo), se transfiere energía mediante calor al entorno, por medio del rozamiento En las máquinas térmicas, la necesidad de trabajar entre dos focos a distintas temperaturas hace que el trabajo obtenido (Q 1 – Q 2) sea siempre menor que la energía disponible Q 1 La energía transferida mediante calor no permite su transformación íntegra en otros tipos de energía