lunes, 19 de octubre de 2015
Conservación y degradación de la energía
Principio de conservación de la energía
La
energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.
En
estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la
energía total es la misma antes y después de cada transformación.
Por
tanto, la energía total del universo se mantiene constante.
En
el caso de la energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de
rozamientos y sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las
energías cinética y potencial permanece constante. Este fenómeno se conoce con
el nombre de Principio de conservación
de la energía mecánica.
Degradación de la
energía
Aunque
en cualquier proceso la cantidad de energía se conserva, no se conserva su
''calidad'', porque tiende a transformarse en formas de energía menos útiles.
En
las transformaciones energéticas, una parte de la energía inicial se disipa
caloríficamente y no puede ser íntegramente convertida de nuevo en la forma que
tenía la energía inicial. Esta energía transferida como calor es el resultado
final de toda transformación energética.
La
energía se conserva en los cambios, pero tiende a transformarse en formas de
energía menos aprovechables.
Cualquier
tipo de energía puede transformarse íntegramente en calor; pero, éste no puede
transformarse íntegramente en otro tipo de energía. Se dice, entonces, que el
calor es una forma degradada de energía. Son ejemplos:
La
energía eléctrica, al pasar por una resistencia.
La
energía química, en la combustión de algunas sustancias.
La
energía mecánica, por choque o rozamiento.
Rendimiento energético
En
una transformación energética, la energía suministrada, es igual a la suma de
la energía útil, o aprovechable, más la energía disipada caloríficamente.
Se denomina rendimiento energético, r, al cociente
entre la energía útil y la energía suministrada. Se expresa en porcentaje.
Por
ejemplo, si un motor tiene un rendimiento del 60%, solo realiza un trabajo de
60 Joules (J) por cada 100 J de energía que consume. Ninguna máquina tiene un
rendimiento del 100%, porque siempre disipa caloríficamente parte de la energía
que se le suministra.
Energía
La energía se define como la capacidad que
tienen los cuerpos para poder realizar cambios en sí mismos o en otros cuerpos.
Unidades: En el Sistema Internacional de
Unidades, la unidad correspondiente a la energía es el Julio (J). 1 J = 1 kg m2
s-2.
Otras unidades empleadas: Caloría (cal = 4,18 J);
kW h = 3.600.000 J
Tipos de energía:
Se distinguen varios tipos de energía,
atendiendo a la característica que permite al cuerpo el realizar cambios:
Energía cinética: debida al movimiento. Se
calcula mediante la expresión:
Ec = 1/2 m v2
Energía potencial gravitatoria: energía que
almacena un cuerpo debido a su posición. Depende del punto de referencia que
hayamos escogido para medir las alturas. Para los casos que vamos a estudiar
podemos usar la aproximación
Epg = m g h
Energía mecánica: suma de energías debidas al
movimiento y a las fuerzas exteriores que actúan sobre el cuerpo. Es decir,
suma de las Energías Cinética y Potencial. Para la mayoría de los problemas Em
= Ec + Epg
Energía interna: energía asociada a un cuerpo
debido a su temperatura y a su estructura atómico-molecular.
Energía eléctrica: energía debida a
interacciones entre cargas eléctricas.
Energía lumínica (o radiante): energía asociada
a la radiación electromagnética (luz, ondas de radio...)
Energía nuclear: energía asociada a la
interacción entre las partículas componentes del núcleo de los átomos.
Transformaciones
de energía. Calor y Trabajo
La cantidad de energía de un cierto tipo que
posee un cuerpo puede variar (aumentar o disminuir). Puede transformarse en
otro tipo de energía del mismo cuerpo, o en energía de otros cuerpos con los
que interacciona. Lo más común es que ocurran ambas cosas a la vez.
Ejemplos: Ventilador: Se trasforma energía
eléctrica de los electrones (disminuye) en energía cinética de las palas del
ventilador y del aire (aumenta)
Frenada: Se transforma energía cinética del
vehículo (disminuye) en energía interna (aumenta) de las ruedas y del medio.
Caída libre sin rozamiento: Se transforma
energía potencial gravitatoria (disminuye) del cuerpo que cae en energía
cinética del mismo cuerpo.
Transferencias de energía: Cuando interaccionan
dos cuerpos, intercambian energía (uno cede energía al otro). Eso se conoce
como Transferencia de energía. Dependiendo de cómo se produzca dicha
transferencia, dicho intercambio, hablaremos de Trabajo o de Calor.
Trabajo: transferencia de energía entre dos
cuerpos realizada mediante un desplazamiento. Se mide en Julios (J). Se produce
al aplicar un cuerpo una fuerza sobre otro. Dichas fuerzas realizarán trabajo
positivo, negativo o nulo según vayan a favor, en contra o perpendiculares al
desplazamiento, respectivamente. Esto se resume en la expresión W = F d
cos"
Calor: transferencia de energía debida a la
diferencia de temperatura entre dos cuerpos. El cuerpo de mayor temperatura
cede energía al cuerpo de menor temperatura. Esta cesión puede realizarse por
conducción, convección o radiación.
Conservación
y degradación de la energía:
Cuando estudiamos un cuerpo aislado, vemos que
su energía total puede aumentar o disminuir. Pero si estudiamos a la vez todos
los cuerpos que han interaccionado con él (el exterior), vemos que, si el cuerpo
ha ganado energía, el exterior ha perdido una cantidad idéntica; y viceversa,
una pérdida de energía por parte del cuerpo significa una ganancia igual por
parte del exterior.
De hecho, si consiguiéramos aislar completamente
el sistema material que estamos estudiando (estará aislado sino interacciona
con nada del exterior), observaríamos que la cantidad total de energía
permanece constante. Eso sí, puede que haya habido una transformación de unos
tipos de energía en otros, pero la cantidad total permanece igual. A esto se le
conoce como Principio de conservación de la energía.
Degradación: Ya hemos visto que, si
bien la cantidad total de energía de un sistema aislado permanece constante,
existirán transformaciones de unos tipos en otros y transferencias entre unos
cuerpos y otros.
No todos los tipos de energía son igualmente
aprovechables. La energía eléctrica es muy versátil, puede transformarse en
otros mucho tipos. Tomemos como ejemplo un motor. La energía eléctrica se
transforma en energía cinética al girar el motor. Pero al mismo tiempo una
buena parte se transforma en energía interna (calentamiento) del propio motor y
del medio ambiente, debido al rozamiento. De hecho, si dejamos que el motor se
pare, el rozamiento hará que toda la energía inicial se transforme en energía
interna del medio. El problema es que esta energía interna del medio, aunque es
exactamente la misma cantidad que la energía eléctrica inicial, no podemos
aprovecharla casi en nada (como mucho en calentarnos un poco, pero en breves
minutos volverá a estar frío). Y esto sucede con cualquier sistema real que
estudiemos.
Esto es lo que se conoce como degradación de la
energía, y es un principio fundamental de la Física.
martes, 13 de octubre de 2015
Calor
El calor se puede definir como la energía de tránsito desde un objeto con alta temperatura a un objeto con menor temperatura. Un objeto no posee "calor"; el término apropiado para la energía microscópica de un objeto es energía interna. La energía interna puede aumentarse, transfiriéndole energía desde uno con más alta temperatura (más caliente), es lo que propiamente llamamos calentamiento.
Equivalente Mecánico del Calor
El flujo de calor y el trabajo, son dos formas de transferencia de energía. Como se ilustra en el ejemplo de calor y trabajo, se puede elevar la temperatura de un gas, tanto calentándolo, como realizando un trabajo sobre él, o una combinación de los dos.
En un clásico experimento en 1843, James Joule demostró la equivalencia de energía de calentamiento y realizadora de trabajo, usando el cambio en la energía potencial de unas masas suspendidas, que agitaban y calentaban el agua de un contenedor aislado, mediante unas paletas. Unas medidas cuidadosas, demostraron que el aumento en la temperatura del agua era proporcional a la energía mecánica empleada en agitar el agua. En esos tiempos se aceptó la caloría como unidad de calor, y el julio como unidad de energía mecánica.
1 caloría= 4,18 joules
Temperatura
Una definición convenientemente operativa de la temperatura, es la que trata de una medida del promedio de la energía cinética de traslación, asociada con el movimiento desordenado microscópico de los átomos y las moléculas. El flujo de calor va desde una región de alta temperatura, hacia una región de temperatura más baja. Los detalles de la relación con el movimiento molecular se describen en la teoría cinética. La temperatura definida en la teoría cinética se llama temperatura cinética. La temperatura no es directamente proporcional a la energía interna, porque la temperatura solo mide la parte de energía cinética de la energía interna, de modo que dos objetos que tienen la misma temperatura, no tienen en general la misma energía interna. Las temperaturas se miden en una de las tres escalas de temperatura estándares (Celsius, Kelvin, y Fahrenheit).
Energía Interna
La energía interna se define como la energía asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas. Está en una escala separada de la energía macroscópica ordenada, que se asocia con los objetos en movimiento. Se refiere a la energía microscópica invisible de la escala atómica y molecular. Por ejemplo, un vaso de agua a temperatura ambiente sobre una mesa, no tiene energía aparente, ya sea potencial o cinética. Pero en escala microscópica, es un hervidero de moléculas de alta velocidad que viajan a cientos de metros por segundo.
Equilibrio térmico
Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formado por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico.
Por ejemplo, si se pone en contacto un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecerá un flujo de energía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.
La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula:
Donde:
Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde), expresada en calorías.
m es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos.
Ce es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas. Se expresa en cal / gr º C
Δt es la variación de temperatura = Tf − Ti. Léase Temperatura final (Tf) menos Temperatura inicial (Ti).
Hasta aquí hemos hablado siempre de igualar temperaturas y ello nos lleva a concluir que a los cuerpos no se les puede asignar una cantidad de calor. Lo que realmente tiene sentido son los intercambios de calor que se deben a las diferencias de temperaturas que existen entre los cuerpos que están en contacto.
Ejercicios:
1.- ¿Cuál será la temperatura de una mezcla de 100 gramos de agua a 20 grados Celsius y 100 gramos de agua a 40 grados Celsius?
2.- ¿Cuál será la temperatura final de una mezcla de 1000 gramos de agua a 25 grados Celsius con 750 gramos de agua a 40 grados Celsius?
Equivalente Mecánico del Calor
El flujo de calor y el trabajo, son dos formas de transferencia de energía. Como se ilustra en el ejemplo de calor y trabajo, se puede elevar la temperatura de un gas, tanto calentándolo, como realizando un trabajo sobre él, o una combinación de los dos.
En un clásico experimento en 1843, James Joule demostró la equivalencia de energía de calentamiento y realizadora de trabajo, usando el cambio en la energía potencial de unas masas suspendidas, que agitaban y calentaban el agua de un contenedor aislado, mediante unas paletas. Unas medidas cuidadosas, demostraron que el aumento en la temperatura del agua era proporcional a la energía mecánica empleada en agitar el agua. En esos tiempos se aceptó la caloría como unidad de calor, y el julio como unidad de energía mecánica.
1 caloría= 4,18 joules
Temperatura
Una definición convenientemente operativa de la temperatura, es la que trata de una medida del promedio de la energía cinética de traslación, asociada con el movimiento desordenado microscópico de los átomos y las moléculas. El flujo de calor va desde una región de alta temperatura, hacia una región de temperatura más baja. Los detalles de la relación con el movimiento molecular se describen en la teoría cinética. La temperatura definida en la teoría cinética se llama temperatura cinética. La temperatura no es directamente proporcional a la energía interna, porque la temperatura solo mide la parte de energía cinética de la energía interna, de modo que dos objetos que tienen la misma temperatura, no tienen en general la misma energía interna. Las temperaturas se miden en una de las tres escalas de temperatura estándares (Celsius, Kelvin, y Fahrenheit).
Energía Interna
La energía interna se define como la energía asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas. Está en una escala separada de la energía macroscópica ordenada, que se asocia con los objetos en movimiento. Se refiere a la energía microscópica invisible de la escala atómica y molecular. Por ejemplo, un vaso de agua a temperatura ambiente sobre una mesa, no tiene energía aparente, ya sea potencial o cinética. Pero en escala microscópica, es un hervidero de moléculas de alta velocidad que viajan a cientos de metros por segundo.
Equilibrio térmico
Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formado por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico.
Por ejemplo, si se pone en contacto un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecerá un flujo de energía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.
La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula:
Q = Ce . m . (Tf - Ti)
Donde:
Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde), expresada en calorías.
m es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos.
Ce es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas. Se expresa en cal / gr º C
Δt es la variación de temperatura = Tf − Ti. Léase Temperatura final (Tf) menos Temperatura inicial (Ti).
Hasta aquí hemos hablado siempre de igualar temperaturas y ello nos lleva a concluir que a los cuerpos no se les puede asignar una cantidad de calor. Lo que realmente tiene sentido son los intercambios de calor que se deben a las diferencias de temperaturas que existen entre los cuerpos que están en contacto.
Ejercicios:
1.- ¿Cuál será la temperatura de una mezcla de 100 gramos de agua a 20 grados Celsius y 100 gramos de agua a 40 grados Celsius?
2.- ¿Cuál será la temperatura final de una mezcla de 1000 gramos de agua a 25 grados Celsius con 750 gramos de agua a 40 grados Celsius?
lunes, 5 de octubre de 2015
La energía térmica
La energía térmica es la energía cinética (relacionada con el movimiento) media de un conjunto muy grande de átomos o moléculas. Esta energía cinética media depende de la temperatura, que se relaciona con el movimiento de las partículas (átomos y moléculas) que constituyen las sustancias.
La temperatura
La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC. En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado. En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.
Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que: T (K) = t(ºC) + 273
Calor y equilibrio térmico
Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico. Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma. Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico. El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta otro de menor temperatura. Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía. El calor siempre se transfiere desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, independientemente de sus tamaños relativos.
Unidades de medida del calor
El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor es la caloría (cal). La equivalencia es: 1 cal = 4,18 J o 1 J = 0,24 cal
¿Cómo se transfiere o transmite el calor?
La transmisión de calor siempre ocurre desde el cuerpo más caliente al más frío. Se puede dar por tres mecanismos: Conducción, convección y radiación.
Conducción
El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se llama Conducción. En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia. Los átomos del extremo que se calienta, empiezan a moverse más rápido y chocan con los átomos vecinos transmitiendo la energía térmica. Las sustancias tienen distinta conductividad térmica, existiendo materiales conductores térmicos y aislantes térmicos. Conductores térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica de un punto a otro. Por ejemplo, los metales. Aislantes térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro. Ejemplos: Vidrio, hielo, ladrillo rojo, madera, corcho, etc. Suelen ser materiales porosos o fibrosos que contienen aire en su interior.
Convección
La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido. Al calentar, por ejemplo, agua en un recipiente, la parte del fondo se calienta antes, se hace menos densa y sube, bajando el agua de la superficie que está más fría y así se genera un proceso cíclico. En la convección se transmite energía térmica mediante el transporte de materia.
Radiación
La radiación es el proceso por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío. La energía que los cuerpos emiten por este proceso se llama Energía radiante. Por ejemplo, la Tierra recibe energía radiante procedente del Sol, gracias a la cual la temperatura del planeta resulta idónea para la vida. Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten.
La temperatura
La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC. En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado. En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.
Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que: T (K) = t(ºC) + 273
Calor y equilibrio térmico
Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico. Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma. Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico. El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta otro de menor temperatura. Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía. El calor siempre se transfiere desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, independientemente de sus tamaños relativos.
Unidades de medida del calor
El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor es la caloría (cal). La equivalencia es: 1 cal = 4,18 J o 1 J = 0,24 cal
¿Cómo se transfiere o transmite el calor?
La transmisión de calor siempre ocurre desde el cuerpo más caliente al más frío. Se puede dar por tres mecanismos: Conducción, convección y radiación.
Conducción
El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se llama Conducción. En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia. Los átomos del extremo que se calienta, empiezan a moverse más rápido y chocan con los átomos vecinos transmitiendo la energía térmica. Las sustancias tienen distinta conductividad térmica, existiendo materiales conductores térmicos y aislantes térmicos. Conductores térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica de un punto a otro. Por ejemplo, los metales. Aislantes térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro. Ejemplos: Vidrio, hielo, ladrillo rojo, madera, corcho, etc. Suelen ser materiales porosos o fibrosos que contienen aire en su interior.
Convección
La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido. Al calentar, por ejemplo, agua en un recipiente, la parte del fondo se calienta antes, se hace menos densa y sube, bajando el agua de la superficie que está más fría y así se genera un proceso cíclico. En la convección se transmite energía térmica mediante el transporte de materia.
Radiación
La radiación es el proceso por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío. La energía que los cuerpos emiten por este proceso se llama Energía radiante. Por ejemplo, la Tierra recibe energía radiante procedente del Sol, gracias a la cual la temperatura del planeta resulta idónea para la vida. Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten.
Las
radiaciones se clasifican, de menor a mayor energía en:
Todos los cuerpos absorben radiación, pero también reflejan parte de ella. Los cuerpos que absorben las radiaciones, pero reflejan muy pocas, se perciben como oscuros o negros (si no reflejan ninguna). Por el contrario, los cuerpos que reflejan las radiaciones y absorben muy pocas, se perciben como claros o blancos (si las reflejan todas).
Suscribirse a:
Entradas (Atom)