Trabajo, Energía y Calor
Introducción
En este tema, exploraremos los conceptos fundamentales de trabajo, energía y calor, y cómo se relacionan entre sí en el contexto de la física.
Trabajo
Definición
La palabra trabajo se reserva para aquellos casos en que la fuerza produce un desplazamiento en la dirección de esta. Matemáticamente se define como el producto de la fuerza por el desplazamiento realizado si ambos tienen la misma dirección.
Fórmula
Trabajo = fuerza x desplazamiento; W=F.Δx
Donde:
- W es el trabajo
- F, la fuerza
- Δx, el desplazamiento producido
Unidad de Medida
En el SI, la unidad utilizada para medir el trabajo es el julio (J) que se define como el trabajo realizado al aplicar una fuerza de un newton para producir, en la misma dirección de la fuerza, un desplazamiento de un metro.
Equivalencia
1 julio = 1 newton . 1 metro; 1J=1N . 1m
Potencia
Definición
Se define potencia como la rapidez con que se realiza un trabajo.
Fórmula
Potencia = trabajo realizado / tiempo invertido; P=W/T
Unidad de Medida
La unidad de potencia en el SI es el vatio (W), que se define como la potencia necesaria para realizar un trabajo de un julio en un segundo.
Equivalencia
1 vatio = 1 Julio / 1 segundo; 1W=1J/1s
Rendimiento
Para medir la pérdida de potencia se define el rendimiento de una máquina como:
Rendimiento = potencia real / potencia teórica . 100
Kilovatio-hora
Se define el kilovatio-hora como el trabajo realizado por una máquina de 1kW de potencia durante una hora.
Equivalencia
1kW.h = 103W . 3600s = 3,6 . 106 J
Un kilovatio-hora equivale por tanto a 3.600.000 J.
Energía
Definición
Energía: Capacidad que tiene los cuerpos de producir transformaciones, como, por ejemplo, realizar un trabajo. La variación de energía que ha tenido lugar es igual al trabajo realizado.
Fórmula
Trabajo realizado = variación de energía
Tipos de Energía
Energía Cinética
La Energía cinética se define como la capacidad para efectuar trabajo por medio del movimiento y depende de dos factores: la masa del cuerpo, m, y su velocidad, v.
Fórmula
Ec = ½ . m . v2
La variación de la energía cinética es igual al trabajo realizado por la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.
Fórmula
Trabajo = variación de la energía cinética; W = Ec2 – Ec1 = ΔEc
Energía Potencial
La energía potencial Ep es la energía que posee un cuerpo en virtud de la posición que ocupa y que es distinta a la que posee en equilibrio.
Energía Potencial Gravitatoria
La energía potencial gravitatoria Ep equivale al trabajo que se realiza para elevar un cuerpo hasta una altura (h).
Fórmula
Ep = m.g.h
Energía Potencial Elástica
La energía potencial elástica es la que posee un cuerpo elástico que se encuentra comprimido o estirado. Para todas las deformaciones que cumplen la ley de Hooke, la energía potencial elástica almacenada en el cuerpo deformado es proporcional al cuadrado de la deformación.
Fórmula
Ep = ½ k . x2
Energía Mecánica
La energía mecánica, Em, es la suma de la energía cinética, Ec, y de la energía potencial, Ep. La suma de la energía cinética y potencial permanece siempre constante en cualquier punto.
Fórmula
Em = Ep + Ec = constante
Esta es la expresión matemática del principio o ley de conservación de la energía mecánica.
Principio de Conservación de la Energía
La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma; es decir, en todos los procesos existe intercambio de energía pero la energía total se mantiene constante.
Calor
Definición
El trabajo y el calor son procesos mediante los cuales se intercambia energía. Energía, trabajo y calor se miden en la misma unidad; en el SI, la unidad de medida es el julio (J). El intercambio de energía térmica se cuantifica por el calor, y este, por las variaciones de temperatura. La temperatura es una magnitud física fundamental. Su unidad en el SI es el kelvin (K). La miden los termómetros. Dos cuerpos en contacto están en equilibrio térmico cuando se hallan a la misma temperatura. Siempre que un cuerpo o sistema pierde energía, otro la gana. El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo caliente a otro frío cuando se ponen en contacto.
Calor Específico
El intercambio de energía está relacionado con la masa, la sustancia y la variación de temperatura, de modo que:
Fórmula
Q = m.c.(t2-t1)
Donde:
- Q es la energía térmica suministrada, que se expresa en J
- m, la masa, expresada en kg
- t2 y t1 son las temperaturas final e inicial, respectivamente, expresadas en ºC o K
- c, la capacidad calorífica específica
Calorímetros
Los calorímetros se utilizan para determinar la capacidad calorífica específica de las sustancias. Constan de un recipiente que contiene agua y que está provisto de una tapadera con dos orificios a través de los cuales se introducen un agitador y un termómetro. El recipiente está aislado térmicamente del exterior.
Calor Latente
El calor latente de cambio de estado es la cantidad de energía que se intercambia en el cambio de estado de un kilogramo de masa.
Fórmula
Q = m.Lf (Lf = Calor latente de fusión)
Q = m.Lv (Lv = Calor latente de vaporización)
Transferencia de Calor
Conducción
El proceso por el cual la energía térmica se transmite por un sólido se denomina conducción.
Convección
El proceso por el cual se transmite energía térmica a través de un fluido por el movimiento del propio fluido se denomina convección.
Radiación
Es la emisión continua de energía desde la superficie de los cuerpos, sin que exista ningún medio material entre el cuerpo emisor y el receptor.
Dilatación de los Líquidos
La dilatación aparente de un líquido es la dilatación real o propia del líquido menos la que experimenta el volumen del recipiente que lo contiene.