10 transferencia de energía: trabajo 1 física y química 4.º eso los sistemas físicos tienen...
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Transferencia de energía: trabajo1
Física y Química
4.º ESOLos 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
CINÉTICAasociada al movimiento
POTENCIALasociada a la
posición
QUÍMICAalimentos y
combustibles
RADIANTEsuministrada
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
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Transferencia de energía: trabajo2
Física y Química
4.º ESOCaracterísticas de la energía
puede transferirse de unos sistemas a otros
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
se conserva se degradaLA ENERGÍA
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Transferencia de energía: trabajo3
Física y Química
4.º ESOFormas 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
CALOR
La unidad de energía en el Sistema Internacional es el julio (J)
es un método de transferencia energética entre sistemas donde intervienen fuerzas que provocan desplazamientos
es un método de transferencia energética entre sistemas por el solo hecho de una diferencia de temperaturas entre ellos
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Transferencia de energía: trabajo4
Física y Química
4.º ESOLa 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
CINÉTICAEs la energía debida al movimiento de un cuerpo y depende de su masa (m) y su velocidad (v)
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)
POTENCIAL
Ec = mv2 1
2
Ec = mgh
ΔEp = Epf – Epi = mghf – mghi = mg(hf – hi) = mgΔh
La energía potencial gravitatoria depende siempre del punto de referencia respecto del cual se miden las alturas
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Transferencia de energía: trabajo5
Física y Química
4.º ESOEl 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
La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el julio (J)
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
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Transferencia de energía: trabajo6
Física y Química
4.º ESOTrabajo 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
T = mgh – mgho = Epfinal – Epinicial = Ep
El trabajo realizado por el cuerpo será
T = mg(h – ho)
El trabajo se ha invertido en incrementar la energía potencial gravitatoria del cuerpo
El trabajo realizado al elevar un cuerpo es igual al incremento de su energía potencial gravitatoria
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Transferencia de energía: trabajo7
Física y Química
4.º ESOTrabajo 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
El valor del trabajo realizado por una fuerza neta constante sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética
v2 – vo2 = 2ae (a = aceleración del cuerpo) ½ mv2 – ½mvo
2 = mae
De acuerdo con el 2º principio de la dinámica: F = ma ½ mv2 – ½mvo2 = Fe = T = Ec
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Transferencia de energía: trabajo8
Física y Química
4.º ESOPrincipio 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 h1 con una velocidad v1 dirigida hacia abajo, y al cabo de cierto tiempo se encuentra a una altura h2 con una velocidad v2 también hacia abajo, se tiene según las ecuaciones del m.r.u.a
v2 2 – v12 = 2g(h1– h2) (g = gravedad)
mv2 2 – mv12 = mgh1 – mgh2
12
12
12
multiplicando por m
y reagrupando términos
mv12 + mgh1 = mv2
2 + mgh2 12
12
EC1 + EP1 = EC2 + EP2 = EMT
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Transferencia de energía: trabajo9
Física y Química
4.º ESOPrincipio 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
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Transferencia de energía: trabajo10
Física y Química
4.º ESORapidez 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
Es la energía transferida en cada unidad de tiempo durante una transformación, es decir, el trabajo realizado por unidad de tiempo
LA POTENCIA
P = E
t = T
tLa unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio (W) 1 W =
1 J
1 s
Otras unidades de potencia son1 kW = 1000 W1 MW = 106 W1 CV = 735 W
El kilovatio-hora (kWh) es una unidad de energía y de trabajo
1 kWh = 1 kW · 1 h = 1000 J/s · 3600 s = 3,6·106 J
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Transferencia de energía: trabajo11
Física y Química
4.º ESOTrabajo 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)
PeP = ReR
eP y eR 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
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Transferencia de energía: trabajo12
Física y Química
4.º ESOIntercambios energéticos en la palanca
En una palanca, los desplazamientos de las fuerzas potencia (eP) y resistencia (eR) son proporcionales a sus brazos bP y bR
eP
bP=
eR
bR
=> PbP = RbRComo PeP = ReR
El producto de la potencia por su brazo es igual al de la resistencia por el suyo
LEY DE LA PALANCA
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Transferencia de energía: trabajo13
Física y Química
4.º ESOIntercambios 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: P2h = Rh
Es decir, para subir una carga hay que aplicar una fuerza igual a la mitad del peso: P = R/2
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Transferencia de energía: trabajo14
Física y Química
4.º ESOIntercambios energéticos en el plano inclinado
En una plano inclinado, el trabajo necesario para elevar un cuerpo de masa m una altura h es
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
T = mgh
T = FL
FL = mgh
F = mgh/L
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Transferencia de energía: trabajo15
Física y Química
4.º ESOIntercambios 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 2r; el trabajo realizado es
T = 2 r m g
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 2L; el trabajo realizado es
T = F 2 L
Por tanto: F 2 L = 2 r m g F = r m g / 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
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Transferencia de energía: trabajo16
Física y Química
4.º ESORendimiento de las máquinas
Las máquinas no transforman íntegramente en trabajo útil la energía que se les suministra
Trabajo útil < Energía suministrada
La energía disipada mediante calor no se aprovecha como trabajo útil
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
r = Trabajo útil
Energía suministrada
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Transferencia de energía: calor17
Física y Química
4.º ESOTeoría cinética de la materia
• La materia está formada por pequeñas partículas que ejercen entre sí fuerzas de atracción y repulsión
TEORÍA CINÉTICA
• Las partículas que forman la materia están en continuo movimiento, desordenado y al azar (movimiento térmico)
Explica los diferentes estados de agregaciónSÓLIDO: las fuerzas son
muy intensas y mantienen a las partículas vibrando en torno a posiciones fijas
GASEOSO: las partículas se mueven desordenadamente chocando entre sí y con las paredes del recipiente, mientras que las fuerzas son prácticamente nulas
LÍQUIDO: se dan condiciones intermedias entre el estado sólido y el gaseoso
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Transferencia de energía: calor18
Física y Química
4.º ESOLa 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
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Transferencia de energía: calor19
Física y Química
4.º ESOTeoría cinética y temperatura
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 dv2
La teoría cinética define el concepto de temperatura a partir de la energía cinética media de las partículas que forman un gas
Presión y temperatura son magnitudes proporcionales a volumen constante. La temperatura es función de la energía cinética media de las partículas
T = 2EC
3k EC = kT
32
Donde k es la denominada constante de Boltzmann, cuyo valor es
k = 1,38·10–23 J/K
del cuerpo que está a mayor T hacia el que
está a menor T
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Transferencia de energía: calor20
Física y Química
4.º ESOEquilibrio térmico. Temperatura
La temperatura es la magnitud común a dos cuerpos que están en equilibrio térmico
Cuando dos cuerpos, a distinta temperatura (T) entran en contacto
Transferencia de energía
Las partículas de ambos cuerpos interaccionan mediante choques
hasta que todas adquieren la misma energía cinética media
Cuando las temperaturas se igualan y cesa la transferencia de energía, se dice que los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico
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Transferencia de energía: calor21
Física y Química
4.º ESOMedida de la temperatura. Termómetros
Se puede conocer la temperatura de un cuerpo haciendo que alcance el equilibrio térmico con otro de temperatura conocida
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
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
ESCALA KELVIN
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Transferencia de energía: calor22
Física y Química
4.º ESOEscalas termométricas
ESCALA CENTÍGRADA (CELSIUS)
Punto de fusión del agua: 0 ºC Punto de ebullición del agua: 100 ºC
ESCALA FAHRENHEITPunto de fusión del agua: 32 ºF Punto de ebullición del agua: 212 ºF
Punto de fusión del agua: 273 K Punto de ebullición del agua: 373 K
ºC/100 = (ºF–32)/180
T (K) = 273 + ºC
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Transferencia de energía: calor23
Física y Química
4.º ESOMecanismos 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 materiaLas 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
TRABAJO (T)CALOR (Q)
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Transferencia de energía: calor24
Física y Química
4.º ESOEnergía 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
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
SISTEMA
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Transferencia de energía: calor25
Física y Química
4.º ESOCriterio 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
Q < 0 T < 0
se considera negativo el trabajo que ejerce el sistema y el calor que pasa del sistema al exterior
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Transferencia de energía: calor26
Física y Química
4.º ESOCapacidad 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
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Transferencia de energía: calor27
Física y Química
4.º ESOEfectos del calentamiento de la materia
Tebullición
Tfusión
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)
La energía Q necesaria para
producir un cambio de estado
depende de
Q = L·m
L: calor latente m: masa
Durante un proceso de cambio de estado, la temperatura de una sustancia pura permanece constante
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Transferencia de energía: calor28
Física y Química
4.º ESODilatación 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
Como el aumento de volumen supone un aumento lineal en las tres dimensiones
T amplitud del movimiento vibratorio volumen DILATACIÓN
T amplitud del movimiento vibratorio volumen 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 – L0 = L0(t – t0)
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 V = V – V0 = V0(t – t0)
= 3
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Transferencia de energía: calor29
Física y Química
4.º ESODilatación 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
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
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
V = V – V0 = V0(t – t0)
presión
p = EC
2 N3 V
V = V0 (1 + t)
= ºC–11
273V = V0 (1 + t) = V0 = V0
1273
273 + t273
TT0
TT0
VV0
=
El volumen de una masa de gas a presión constante es directamente proporcional al valor de su temperatura en grados Kelvin
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
La máquina de vapor: el combustible calienta una masa de agua hasta que la transforma en vapor, aumentando considerablemente su volumen y desplazando un
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Transferencia de energía: calor3*
Física y Química
4.º ESOIntercambios 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
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Transferencia de energía: calor31
Física y Química
4.º ESORendimiento 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 %
= · 100 = · 100Energía útil
Energía disponible
Q1 – Q2
Q1
= · 100T1 – T2
T1
Energía útil: es el trabajo obtenidoEnergía disponible: es el calor transferido por el foco caliente
El rendimiento se puede expresar también en función de las temperaturas absolutas de los focos
El rendimiento de una máquina nunca es el 100 % como consecuencia de las pérdidas que se producen al calentar el entorno
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Transferencia de energía: calor32
Física y Química
4.º ESOLa 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
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 (Q1 – Q2) sea siempre menor que la energía disponible Q1
La energía transferida mediante calor no permite su transformación íntegra en otros tipos de energía
Problema energético