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ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR FRANCISCO JAVIER GODILLO ORTIZ COLEGIO Mª INMACULADA. ZAFRA. 4ºESO UNIDAD 6.

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1 ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR FRANCISCO JAVIER GODILLO ORTIZ COLEGIO Mª INMACULADA. ZAFRA. 4ºESO UNIDAD 6

2 RECUERDA: La materia está formada por partículas en constante movimiento. La materia está formada por partículas en constante movimiento. (Teoría cinético-molecular) (Teoría cinético-molecular) ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

3 RECUERDA: La temperatura y la presión es una consecuencia de la energía cinética de las partículas. La temperatura y la presión es una consecuencia de la energía cinética de las partículas. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

4 RECUERDA: Las máquinas funcionan mediante transformaciones de energía entre sistemas. Las máquinas funcionan mediante transformaciones de energía entre sistemas. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

5 UNIDAD 6 OBJETIVOS DIDÁCTICOS Conocer el concepto de energía y las formas en que se manifiesta en los sistemas materiales. Saber sus unidades de medida y adquirir destreza en el cálculo de sus equivalencias. Conocer el concepto de energía y las formas en que se manifiesta en los sistemas materiales. Saber sus unidades de medida y adquirir destreza en el cálculo de sus equivalencias. Conocer y comprender el principio de conservación de la energía y su degradación. Determinar el rendimiento energético de un proceso y los efectos beneficiosos y perjudiciales derivados del uso de la energía. Conocer y comprender el principio de conservación de la energía y su degradación. Determinar el rendimiento energético de un proceso y los efectos beneficiosos y perjudiciales derivados del uso de la energía. Conocer y expresar de forma correcta el concepto de energía mecánica y térmica e interpretar correctamente las ecuaciones físicas de la energía cinética y potencial, así como la cantidad de energía térmica almacenada por un sistema material. Conocer y expresar de forma correcta el concepto de energía mecánica y térmica e interpretar correctamente las ecuaciones físicas de la energía cinética y potencial, así como la cantidad de energía térmica almacenada por un sistema material.

6 CONCEPTO DE ENERGÍA Es la capacidad que tienen los sistemas materiales para producir cambios. Es la capacidad que tienen los sistemas materiales para producir cambios. Es la capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. Es la capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. Es la capacidad para realizar un trabajo. Es la capacidad para realizar un trabajo. La causa de los cambios son las interacciones de la materia. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

7 La energía puede manifestarse de formas diversas. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR TIPOS DE ENERGÍA La mayoría de las formas de energía son INTERCOMVERTIBLES.

8 MECÁNICA: CINÉTICA + POTENCIAL Se debe al movimiento de los cuerpos. Está relacionada con la posición que ocupa un cuerpo dentro de un campo gravitatorio o electrostático. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR Todas las formas de energía pueden agruparse dentro de una de estas dos clases o una combinación de ambas.

9 MECÁNICAMECÁNICA: CINÉTICA POTENCIAL MECÁNICA LA ENERGÍA CINÉTICA Y LA POTENCIAL SON INTERCONVERTIBLES. E M = E C + E P ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

10 ¿COMO SE MIDE LA ENERGÍA? La forma de energía más conocida es el calor (Q). JULIO (S.I.) CALORÍA Cantidad de calor que se le ha de dar a 1g. de agua para que su temperatura aumente 1ºC. Trabajo necesario para elevar a un metro de altura un objeto de 102g. de masa. 1 cal. = 4,18 J. 1 J. = 0,24 cal. KWh (Sistemas eléctricos) 1 KWh = J. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR P = 1N

11 LOS SISTEMAS MATERIALES LOS SISTEMAS MATERIALES O CUERPOS SON PEQUEÑAS REGIONES DEL UNIVERSO QUE TOMAREMOS DE FORMA AISLADA PARA SU ESTUDIO. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

12 TIPOS DE SISTEMAS MATERIALES Intercambian con el exterior MATERIA Y ENERGÍA. ABIERTOS CERRADOS AISLADOS Intercambian con el exterior solo ENERGÍA. No intercambian con el exterior ni MATERIA ni ENERGÍA. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

13 EJERCICIO RESUELTO - 1 Indica que transformaciones de la energía tienen lugar cuando se da cuerda a un coche de juguete y se deja correr. Indica que transformaciones de la energía tienen lugar cuando se da cuerda a un coche de juguete y se deja correr. La energía química de nuestros músculos se transforma en potencial elástica del resorte del juguete. La energía química de nuestros músculos se transforma en potencial elástica del resorte del juguete. Posteriormente, esta energía elástica se transforma en cinética cuando el coche se mueve. Posteriormente, esta energía elástica se transforma en cinética cuando el coche se mueve. Una vez el coche se ha detenido, toda la energía se ha transformado en calor, bien momentáneamente presente en el coche, o bien se ha disipado al ambiente. Una vez el coche se ha detenido, toda la energía se ha transformado en calor, bien momentáneamente presente en el coche, o bien se ha disipado al ambiente.

14 Indica que transformaciones de la energía tienen lugar cuando una bombilla se conecta a la red eléctrica. ¿Y cuando se conecta un ventilador? Indica que transformaciones de la energía tienen lugar cuando una bombilla se conecta a la red eléctrica. ¿Y cuando se conecta un ventilador? La energía eléctrica de la red se transforma en energía luminosa de la bombilla + energía calorífica que se disipa al ambiente. La energía eléctrica de la red se transforma en energía luminosa de la bombilla + energía calorífica que se disipa al ambiente. La energía eléctrica de la red se transforma en energía cinética de las aspas del ventilador + energía calorífica que se disipa al ambiente. La energía eléctrica de la red se transforma en energía cinética de las aspas del ventilador + energía calorífica que se disipa al ambiente. EJERCICIO RESUELTO - 2

15 Argumenta si un coche parado en la carretera tiene energía potencial. Argumenta si un coche parado en la carretera tiene energía potencial. En términos relativos, la tiene si está a cierta altura sobre el nivel que hallamos tomado como referencia (E P =0) En términos relativos, la tiene si está a cierta altura sobre el nivel que hallamos tomado como referencia (E P =0) EJERCICIO RESUELTO - 3

16 ACTIVIDADES PARA CASA - 1 1) 1) Di si los siguientes sistemas son abiertos, cerrados o aislados? 2)Un ser vivo, una olla hirviendo, el Universo, un refresco al sacarlo del frigorífico y una nave espacial. 3) Un cuerpo situado en lo alto de una colina, presenta una energía potencial de 500J. ¿Cuánto vale su energía mecánica? ¿Y su energía cinética? 4) Si el cuerpo anterior lo echamos a rodar, ¿qué energía mecánica presentará a mitad del recorrido? ¿Y qué valor tendrá la energía cinética en ese punto intermedio? ¿y la potencial? 5) Un calefactor irradia 1,5 Kwh. Calcula en calorías y en julios la energía suministrada en 5 horas. 6) ¿Cuánto costaría tener encendido el calefactor de la actividad anterior, si la empresa de Sevillana electricidad S.A., nos cobra a 0,40 el Kwh.?

17 ACTIVIDADES - 1 1) Di si los siguientes sistemas son abiertos, cerrados o aislados? Un ser vivo. Un ser vivo. Una olla hirviendo. Una olla hirviendo. El Universo. El Universo. Un refresco al sacarlo del frigorífico. Un refresco al sacarlo del frigorífico. Una nave espacial. Una nave espacial. ABIERTO. ABIERTO. AISLADO. AISLADO. CERRADO. CERRADO. AISLADO. AISLADO.

18 ACTIVIDADES - 1 2) Un cuerpo situado en lo alto de una colina, presenta una energía potencial de 500J. ¿Cuánto vale su energía mecánica? ¿Y su energía cinética? 3) Si el cuerpo anterior lo echamos a rodar, ¿qué energía mecánica presentará a mitad del recorrido? ¿Y qué valor tendrá la energía cinética en ese punto intermedio? ¿y la potencial? E M =500J. E M =500J. E C =0J. E C =0J. E M =500J. E M =500J. E P =250J. E P =250J. E C =250J. E C =250J.

19 ACTIVIDADES - 1 4) Un calefactor irradia 1,5 Kwh. Calcula en calorías y en julios la energía suministrada en 5 horas. 1,5 Kwh. X 5 h. = 7,5 Kw. 1,5 Kwh. X 5 h. = 7,5 Kw. 2, J. X 0,24 = 6, Cal. 7,5 Kw. X Kw./J = 2, J. 5) ¿Cuánto costaría tener encendido el calefactor de la actividad anterior, si la empresa de Sevillana electricidad S.A., nos cobra a 0,40 el Kwh? 7,5 Kw. 0,40 = 3 7,5 Kw. 0,40 = 3

20 PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA LA ENERGÍA NI SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLO SE TRANSFORMA, POR LO QUE LA ENERGÍA TOTAL DEL UNIVERSO SE MANTIENE CONSTANTE. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR La energía se conserva durante los cambios, pero tiende a transformarse en formas de energía menos aprovechables PROBLEMA ENERGÉTICO La energía transferida como calor no puede transformarse íntegramente en otras formas de energía.

21 RENDIMINETO ENERGÉTICO Es el cociente entre la energía útil y la energía suministrada, y suele medirse en tantos por ciento. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR R = E U /E S.100 Ej) Si un motor tiene un rendimiento del 60%, solo realiza un trabajo de 60 J por cada 100 J. Ninguna máquina tiene un rendimiento del 100%, ya que siempre disipa energía calorífica, lo que se conoce como energía residual.

22 ¿CÓMO INTERCAMBIAN ENERGÍA LOS SISTEMAS MATERIALES? DE 2 MODOS DIFERENTES: EN FORMA MECÁNICA TRABAJO (W) CALOR (Q) EN FORMA TÉRMICA ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

23 ¿QUÉ ES EL TRABAJO (W)? EL TRABAJO ES ENERGÍA EN TRÁNSITO ENERGÍA ELÉCTRICA ENERGÍA LUMINOSA Y CALORÍFICA ENERGÍA EÓLICA ENERGÍA ELÉCTRICA Y CALORÍFICA ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

24 ¿QUÉ ES EL CALOR (Q)? EL CALOR AL IGUAL QUE EL TRABAJO ES ENERGÍA EN TRÁNSITO LO QUE TIENE ES ENERGÍA LOS SISTEMAS QUE ESTÁN CALIENTES NO TIENEN CALOR Y PUEDEN CEDERLA DE UN SISTEMA A OTRO EN FORMA DE CALOR (Q) ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

25 LAS ENERGÍAS MECÁNICAS Energía Eléctrica Energía QuímicaEnergía Elástica Energía GravitatoriaEnergía Nuclear Energía Potencial MECÁNICAMECÁNICA: CINÉTICA + POTENCIAL MECÁNICA Se debe al movimiento de los cuerpos. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

26 ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA No olvidemos que los cuerpos simplemente por tener masas se atraen con una fuerza que responde a la ecuación de Newton: Es la que poseen los cuerpos debido a su posición en un campo gravitatorio. Ej) Calcula la E p que posee un cuerpo de 50kg localizado a 15 m de altura. E p = m. g. h Ep = m (50Kg). g (9,8m/s 2 ). h (15m) = 7350 J. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR UNIDAD 6

27 ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA Siendo: k = constante elástica X = incremento de longitud del muelle o del cuerpo elástico. Responde a la siguiente ecuación: Ej) Calcula la E p que posee un muelle cuando se alarga 12cm. Y presenta una k = 0,25 N/m. E p = ½ k. ( X) 2 Ep = ½ k (0,25/2 N/m) (0,12 m) 2 = 0,125 N/m. 0,0144m 2 = 0,0018 J. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR La E P es proporcional a la mitad de la constante elástica del cuerpo y al cuadrado de su alargamiento.

28 ENERGÍA CINÉTICA La E c es proporcional a la mitad de la masa del cuerpo y al cuadrado de su velocidad. Ej) Calcula la E c que posee un móvil de 500Kg de masa y que se mueve a una velocidad de 80Km/h. E c = ½ m. v 2 E c = ½ m (500/2 Kg) (80000/3600 m/s) 2 = 250Kg. 493,82m/s 2 = ,8 J. Se debe al movimiento de los cuerpos. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

29 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA E M = E C + E P EN UN SISTEMA AISLADO LA ENERGÍA NI SE CREA NI SE DESTRUYE SOLO SE TRANSFORMA. MECÁNICA: CINÉTICA + POTENCIAL Cuando un cuerpo cae libremente, toda su energía potencial va pasando poco a poco a energía cinética, lo que se manifiesta a modo de incremento de la velocidad. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

30 ACTIVIDADES PARA CASA - 2 6) Una piedra de 2,4 Kg. se encuentra en reposo a una altura de 10m sobre el suelo, calcula: s u energía potencial, cinética y mecánica, así como la velocidad con la que llegaría al suelo. 7) Una televisión irradia 3,2 Kwh. Calcula en kilocalorías y en julios la energía suministrada en 3 horas. 8) Calcula la energía potencial de un muelle que colgándole 100g se alarga 2,5cm. 9) Calcula el rendimiento de un motor que realiza un trabajo de 80J por cada 200J de energía que consume. ¿Qué cantidad de la energía suministrada se disipa caloríficamente? ¿Podría disipar un 0%? 10) Enumera 5 procesos de la vida diaria en los que se producen pérdidas de energía por disipación calorífica.

31 ACTIVIDADES - 2 6) Una piedra de 2,4 Kg. se encuentra en reposo a una altura de 10m. Sobre el suelo, calcula: Cuando llegue al suelo toda la E P se habrá convertido en E C. a) Su energía potencial. a) Su energía cinética. a) Su energía mecánica. a) La velocidad con la que llegaría al suelo. E p = m. g. h = 2,4 Kg.. 9,8 m/s2. 10 m. = 235,2 J E c = ½ m. V 2 = 2,4/2 Kg.. 0 = 0 J E M = E C + E P = 0 J + 235,2 J = 235,2 J E c = ½ m. V 2 ; 235,2 J = 2,4/2 Kg.. V 2 V 2 = 235,2 J/ 1,2 Kg.; V = 14 m/s V 2 = 235,2 J/ 1,2 Kg.; V = 14 m/s

32 ACTIVIDADES - 2 7) Una televisión irradia 3,2 Kwh. Calcula en kilocalorías y en julios la energía suministrada en 3 horas. 3,2 Kwh. X 3 h. = 9,6Kw. 3,2 Kwh. X 3 h. = 9,6Kw. 3, J. X 0,24 = 8, Cal. 9,6 Kw. X Kw./J = 3, J. 8, Cal. X Kcal./Cal. = 8400Kcal.

33 ACTIVIDADES - 2 8) Calcula la energía potencial de un muelle que colgándole 100g se alarga 2,5cm. Ley de Hooke: F = X. k Ley de Hooke: F = X. k E = ½ k. ( X) = 39,2N/m/2. (0,025m) 2 = 0,01225 J. k = F/ X = (0,1Kg. 9,8N/Kg)/ 0,025m K = 39,2N/m

34 ACTIVIDADES - 2 9) Calcula el rendimiento de un motor que realiza un trabajo de 80J por cada 200J de energía que consume. ¿Qué cantidad de la energía suministrada se disipa caloríficamente? ¿Podría disipar un 0%? R = E U /E S.100; R = 80J/200J.100 = 40% Q = E S - E U = 120J No, ninguna máquina tiene un rendimiento del 100%, es decir, siempre se disipa algo de calor. 10) Enumera 5 procesos de la vida diaria en los que se producen pérdidas de energía por disipación calorífica. Encender una bombilla. Encender una bombilla. Calentar agua en la vitrocerámica. Calentar agua en la vitrocerámica. Encender el motor del coche. Encender el motor del coche. La combustión del gas doméstico para la calefacción. La combustión del gas doméstico para la calefacción. Encender un ordenador o un proyector. Encender un ordenador o un proyector.

35 TRABAJO W = F. X EL TRABAJO (W) ES LA ENERGÍA QUE SE TRANSFIERE DE UNOS SISTEMAS A OTROS POR LA ACCIÓN DE UNA FUERZA QUE SE DESPLAZA. Por lo tanto el TRABAJO depende de la intensidad de la fuerza y del desplazamiento producido. Si el movimiento no es línea recta, sino que se lleva a cabo con un ángulo determinado entonces: W = F. X. Cos W = F. X. Cos ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

36 TRABAJO 1 Julio es el trabajo realizado por una Fuerza de un Newton cuando su punto de aplicación se ve desplazado 1 metro en la misma dirección y sentido que el desplazamiento. 1J = 1N. 1m ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR W = F. X W = F. X. Cos W = F. X. Cos. uff, uff W=F x Trabajo realizado por el hombre Fuerza aplicada Distancia que se desplaza el objeto

37 TRABAJO EL TRABAJO MODIFICA LA ENERGÍA MECÁNICA W = F. h = m. g (h B – ha) = (m. g. h B) - (m. g. h A )= E pB - E pA = E p MODIFICA LA ENERGÍA POTENCIAL MODIFICA LA ENERGÍA CINÉTICA W = E C W = E P ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR Página 137 de libro de texto W = E M

38 POTENCIA ES LA RAPIDEZ EN EL TRABAJO POTENCIA ES EL TRABAJO TRANSFERIDO POR UNIDAD DE TIEMPO P = W/T Su unidad en el S. I. es el J/s = W (vatio) 1 vatio es entonces la potencia de una máquina que transfiere el trabajo de un julio por segundo. Otra unidad de potencia muy utilizada es el caballo de vapor (CV), que se usa a nivel industrial y que equivale a 735W, o el ya conocido Kwh que equivale a 3, J. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR

39 ¿Qué trabajo hemos de realizar para levantar una masa de 5 Kg. a una altura de 12m.? W = (5 Kg m/s 2 ). 12m. = 588 J. W = F. X EJERCICIO RESUELTO - 3

40 W = (7 Kg. 9,8 m/s 2 ). 10m. Cos 30º W = F. X. Cos W = F. X. Cos ¿Qué trabajo hemos de realizar para levantar una masa de 7 Kg. a una altura de 10m. Utilizando una rampa de 30º de inclinación con respecto a la horizontal? W = 68, ,866 = 594,1 J. EJERCICIO RESUELTO - 4

41 ¿Qué trabajo realiza Manuel al desplazar durante 10 m. horizontalmente un objeto de 10 Kg. a una velocidad de 8 Km/h.? ¿Qué potencia en caballos de vapor y en Kwh. se desarrollará si el trabajo se lleva a cabo en 10s? ¿Qué potencia obtendríamos si Antonio realiza el trabajo en 2s? ¿Cuántas veces es más potente Antonio que Manuel? P = 980 J./ 10s. = 98 W. W = (10 Kg m/s 2 ). 10 m. = 980 J. W = F. X 1 CV.= 735 W. P Manuel = W/T 98w.1CV/735w = 0,13 CV. 980J.1Kwh/ 3, J = 2, Kwh. 1 Kwh. = 3, J. EJERCICIO RESUELTO - 5 P = 980 J./ 2s. = 490 W. P Antonio = W/T P Antonio / P Manuel = 490w/98w = 5 veces.

42 EL CALOR AL IGUAL QUE EL TRABAJO ES ENERGÍA EN TRÁNSITO LO QUE TIENE ES ENERGÍA LOS SISTEMAS QUE ESTÁN CALIENTES NO TIENEN CALOR Y PUEDEN CEDERLA DE UN SISTEMA A OTRO EN FORMA DE CALOR (Q) ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR CALOR

43 Hay tres procedimientos de transferencia de energía mediante calor: CONDUCCIÓN: propagación calorífica sin desplazamiento de materia. CONDUCCIÓN: propagación calorífica sin desplazamiento de materia. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR CALOR

44 CALOR Hay tres procedimientos de transferencia de energía mediante calor: Hay tres procedimientos de transferencia de energía mediante calor: CONVECCIÓN: propagación calorífica mediante desplazamiento de materia. CONVECCIÓN: propagación calorífica mediante desplazamiento de materia.

45 Hay tres procedimientos de transferencia de energía mediante calor: RADIACIÓN: propagación calorífica mediante ondas electromagnéticas. RADIACIÓN: propagación calorífica mediante ondas electromagnéticas. ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR CALOR

46 MEDIDA DE LA TEMPERATURA Escala Celsius: se asigna el valor 0ºC a la temperatura de fusión del agua y 100ºC a su temperatura de ebullición. Escala Celsius: se asigna el valor 0ºC a la temperatura de fusión del agua y 100ºC a su temperatura de ebullición. Escala Fahrenheit: se le da el valor 32ºF al punto de fusión del agua y 212ºF a su punto de ebullición. La relación con la escala centígrada viene expresada por: T(ºC)/5 = T(ºF) – 32/9 Escala Fahrenheit: se le da el valor 32ºF al punto de fusión del agua y 212ºF a su punto de ebullición. La relación con la escala centígrada viene expresada por: T(ºC)/5 = T(ºF) – 32/9 Escala absoluta o Kelvin: el cero de esta escala (cero absoluto), es aquella temperatura en la que todas las partículas materiales carecen de movimiento. La relación entre la escala centígrada y la absoluta es: T(ºK) = T(ºC) Escala absoluta o Kelvin: el cero de esta escala (cero absoluto), es aquella temperatura en la que todas las partículas materiales carecen de movimiento. La relación entre la escala centígrada y la absoluta es: T(ºK) = T(ºC) ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR CALOR

47 Expresa la temperatura de 36,5ºC en ºF y ºK. Expresa la temperatura de 36,5ºC en ºF y ºK. EJERCICIO RESUELTO ,5/5 +32/9 = 10,86ºF T(ºC)/5 = T(ºF) – 32/9 T(ºK) = T(ºC) , = 309,5ºK

48 ACTIVIDADES PARA CASA - 5 Actividad página 142. Actividad página 142. Actividades página 143. Actividades página 143. Actividades página 158. Actividades página 158.


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