LA ENERGÍA: CALOR Y TRABAJO

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1 LA ENERGÍA: CALOR Y TRABAJO
TEMA 3 LA ENERGÍA: CALOR Y TRABAJO 4º ESO Jose Antº Mondéjar Minaya

2 INDICE 1. LA ENERGÍA 1.1. TIPOS DE ENERGIAS 1.2. CARACTERÍSTICAS DE LA ENERGÍA 2. TRANSFERENCIAS DE ENERGÍA 2.1. LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA 2.2. PROPAGACIÓN DEL CALOR 3. ENERGÍA TÉRMICA 3.1. CALOR Y TEMPERATURA. EQUILIBRIO TÉRMICO 3.2. CALOR LATENTE 3.3. CALOR ESPECÍFICO 3.4. CALORIMETRÍA

3 INDICE LA ENERGÍA MECÁNICA 4.1. LA ENERGÍA CINÉTICA
4.2. LA ENERGÍA POTENCIAL 4.3. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA TRABAJO Y ENERGÍA 5.1. RELACIÓN ENTRE TRABAJO Y ENERGÍA 5.2. EL TRABAJO MODIFICA LA ENERGIA POTENCIAL 5.3. EL TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS 5.4. LA RAPIDEZ DEL TRABAJO: POTENCIA

4 Energía cinética : asociada a la velocidad de los cuerpos.
1- LA ENERGIA La energía es la capacidad que tienen los cuerpos para producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. 1.1- TIPOS DE ENERGÍAS: Energía mecánica : Puede ser de dos tipos: Energía cinética : asociada a la velocidad de los cuerpos. Energía potencial : asociada a la posición que ocupan los cuerpos en un campo de fuerzas. La energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial:

5 Energía interna: energía asociada a la estructura interna de la materia. Puede ser de varios tipos: - Energía térmica : asociada al movimiento de las partículas del cuerpo y relacionada con la temperatura - Energía química : asociada a la energía de los enlaces químicos. - Energía nuclear: asociada a los núcleos atómicos. Energía radiante: todos los cuerpos, por estar a una temperatura, emiten radiación electromagnética. Tipos de radiaciones: infrarroja, microondas, visible, ultravioleta, rayos X, rayos gamma… Energía eléctrica: asociada al movimiento de electrones en el interior de un conductor.

6 1.2- CARACTERÍSTICAS DE LA ENERGÍA
Puede transferirse de unos cuerpos a otros en forma de trabajo o de calor. Puede ser almacenada y transportada: se puede almacenar en el agua embalsada, en forma de energía potencial; en pilas y baterías, en forma de energía eléctrica. Puede ser transportada a través del tendido eléctrico, en forma de energía eléctrica. Se transforma en otras formas de energías: en una plancha, la energía eléctrica se transforma en energía calorífica; en los paneles solares, la energía radiante del Sol, se transforma en energía eléctrica… Se conserva: la energía ni se crea ni se destruye, por lo que la energía total se mantiene constante. Se degrada: la energía se degrada cuando se transforma en energía térmica.

7 2-TRANSFERENCIAS DE ENERGIA. LEY DE CONSERVACION
Los sistemas materiales (cuerpos) pueden intercambiar energía de dos formas: En forma de trabajo: se produce intercambio de trabajo, siempre que una F produce un desplazamiento. El trabajo es una energía en tránsito. Los cuerpos no tienen trabajo, tienen energía, que pueden ceder mediante trabajo. En forma de calor: este intercambio, se produce entre cuerpos que se encuentran a distinta temperatura. El calor es también energía en tránsito. Los cuerpos no tienen calor, tienen energía y la pueden ceder a otros mediante calor.

8 Unidad de energía en el S. I. : Julio (J)
Unidad de energía en el S.I.: Julio (J). También se utiliza la caloría (cal). 1 cal = 4,18 J o 1J = 0,24 cal CALOR CUERPO B CUERPO A TRABAJO 2.1- LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA La energía siempre se conserva, por lo que la energía total se mantiene constante. Si un sistema aumenta su energía, es porque otro sistema, la ha disminuido en la misma cantidad.

9 2.2- PROPAGACIÓN DEL CALOR
La transferencia de energía, en forma de calor, entre dos cuerpos que se encuentran a distinta Tª, siempre se produce desde el de mayor Tª al de menor Tª. Esta transferencia puede producirse de tres modos: Convección: En los fluidos (líquidos y gases), la propagación del calor se produce mediante un transporte de materia. Las zonas del fluido a mayor Tª se expanden, disminuyendo su densidad, y se elevan, quedando las partes bajas ocupadas por fluido a mayor Tª. Cuando se enfrían, vuelven a descender, y así sucesivamente, originándose las corrientes de convección.

10 Conducción: En los sólidos, la propagación del calor se produce por transporte de energía. Si calientas el extremo de una barra metálica, el calor llega al otro extremo debido a que las partículas del extremo caliente aumentan su agitación térmica, y debido a la interacción de las partículas próximas, esta energía se transmite a lo largo de la barra. Radiación: Si un cuerpo se encuentra a mayor Tª que se entorno, emitirá energía en forma de radiación, hasta que las Tª del cuerpo y del entorno se igualan (equilibrio térmico). La radiación no necesita de la materia para transmitirse, se propaga también en el vacío.

11 ¿Cómo explicas que un radiador, caliente todo el aire de una habitación, si se encuentra en un extremo. Ilustra tu respuesta con un dibujo. Debido a las corrientes de convección.

12 3- ENERGÍA TÉRMICA Según la teoría cinética, todo cuerpo está formado por un conjunto de partículas en continuo movimiento. A este movimiento se le llama agitación térmica. Cuanto mayor es la velocidad de las partículas, mayores son sus energías cinéticas, y mayor es la agitación térmica. Según lo anterior definimos dos conceptos: La energía térmica: es la suma de todas las energías cinéticas de las partículas que lo forman. A mayor energía cinética mayor energía térmica. La temperatura: es proporcional a la energía cinética media de sus partículas. A mayor energía cinética media mayor temperatura.

13 3.1- CALOR Y TEMPERATURA. EQUILIBRIO TÉRMICO
Cuando dos cuerpos a distinta temperatura entran en contacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, siempre desde el cuerpo de mayor Tª hacia el de menor, hasta que ambas Tª se igualan. Cuando esto ocurre, se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico.

14 3.2- CALOR LATENTE DE CAMBIO DE ESTADO
Es la energía necesaria para producir el cambio de estado de 1 kg de cualquier sustancia, a Tª constante. Cf : es el calor latente de fusión; C v : es el calor latente de vaporización. El calor necesario para producir un cambio de estado, es proporcional a la masa, de sustancia, de forma que: En la fusión: En la vaporización: Cada sustancia tiene unos calores latentes de cambio de estado característicos.

15 Calores latentes (k j/kg)
Sustancia Calor latente de fusión (Cv) vaporización (Cv) Agua 334,4 2.257 Etanol 109 840 Mercurio 11,3 296 Plomo 24,7 858 Zinc 102 1768

16 Calcula la energía necesaria para fundir 2,5 kg de plomo y 3,8 kg de zinc
Calcula la energía necesaria para vaporizar 10 litros de agua y 458 gramos de etanol.

17 3.3- CALOR ESPECÍFICO Calor específico ce de una sustancia es la cantidad de energía que hay que proporcionar a 1 kg de esta para elevar su temperatura 1 K. Su unidad es: J/kg . K Ejemplo: para elevar 1 K la Tª de 1 kg de oro se necesitan 130 J, mientras que 1 kg de agua requiere J Energía necesaria variar la Tª de una sustancia de masa m, y de calor específico ce desde una Ti hasta una Tf

18 Calores específicos (J/kg . K)
Sustancia ce Agua(líquida) 4.180 Hielo 2.090 Vapor de agua Alcohol 2.450 Aluminio 899 Hierro 452 Cobre 385 Mercurio 138 Plata 234 Plomo 130 Oro

19 Calcula la energía necesaria para elevar 15ºC la temperatura de 350 gramos de agua líquida.
¿Qué aumento de temperatura sufre 235 g de aluminio, si absorbe J de energía. Calcula el calor específico de un cuerpo, si 567g del mismo, absorbe 76Kj para elevar su Tª23K.

20 3.4- CALORIMETRÍA Cuando dos cuerpos a distinta Tª se ponen en contacto, pasará calor desde el cuerpo que tiene más Tª al otro, hasta que se igualen ambas. Dos cuerpos a T1 y T2, siendo T1 › T2, intercambian Q hasta alcanzar la Tª de equilibrio Te, tal que T1›Te›T2. Según el principio de conservación de la energía, alcanzado el equilibrio térmico se ha de cumplir que:

21 ¿Cómo se mide el calor específico?
Para medir el ce de una sustancia (aluminio por ejemplo), se pone una masa de agua magua , en un calorímetro y se mide su Tagua. A continuación se pesa una pieza de aluminio, m Al , se calienta a una T Al , y se introduce en el calorímetro. El Al cederá calor al agua, y finalmente alcanzará una Tª de equilibrio (Te). Entonces:

22 En un calorímetro que contiene 2 litros de agua a 30ºC, se añaden 100 gramos de cobre a 65ºC. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio?

23 Mezclamos en un termo 150 gramos de agua a 300C y 50 gramos de hielo a 0ºC. a) ¿Fundirá todo el hielo? En caso de que así sea, ¿cuál será la temperatura de equilibrio, Te? Como el valor absoluto del calor cedido por el agua, es mayor que el calor ganado por el hielo, fundirá todo el hielo, y Te› 0ºC

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25 4- LA ENERGIA MECANICA (E m)
Es la energía que tiene un cuerpo, asociada a su movimiento y a su posición. Puede ser de dos tipos: 4.1- ENERGÍA CINÉTICA (EC) Energía que posee un cuerpo, debido a su movimiento. Es proporcional a su masa, y al cuadrado de su velocidad.

26 4.2- ENERGÍA POTENCIAL (EP)
Energía potencial gravitatoria: es la energía que tienen los cuerpos debido a su posición en el campo gravitatorio. h:altura sobre la superficie de la Tierra. Energía potencial elástica: es la energía que tienen los cuerpos elásticos, cuando se someten a una deformación K: cte de elasticidad ; ∆x: deformación producida

27 Calcula la E c de un cuerpo de 2 kg, que se mueve a 80 km/h.
Calcula la velocidad de un cuerpo de 3 kg, que tiene una E c de 150 J. Calcula la masa de un cuerpo, con velocidad de 5m/s y Ec de 200 J.

28 Calcula la E p de un cuerpo de 2 kg, situado a 4 m de altura.
Calcula la altura de un cuerpo de 3 kg, si tiene una E p de 250 J Calcula la masa de un cuerpo, a 5 m de altura y con E p de 200 J

29 Principio de conservación de la Em:
4.3- PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA Se define la energía mecánica de un cuerpo, como la suma de sus energías cinética y potencial. Principio de conservación de la Em: Cuando un cuerpo cae libremente, está sometido solo a su peso, y su energía potencial se va transformando en energía cinética, de tal manera que la suma de ambas es constante: Otra forma de expresarlo sería:

30 Vamos a analizar este principio con un ejemplo:
Dejamos caer un cuerpo de 1kg desde una altura de 2 m. En el instante inicial, v0 = 0, y el cuerpo solo tiene energía potencial: Cuando el cuerpo llega al suelo toda su energía potencial se ha transformado en energía cinética, luego: y A lo largo del recorrido, La Ep se va transformando en Ec, es decir la Ep del cuerpo disminuye al tiempo que aumenta su Ec, pero la suma de ambas será siempre de 19,6 J.

31 Cuando el cuerpo se encuentra en la mitad del recorrido, posee tanto Ep como Ec, y la suma sigue siendo 19,6 J Podríamos calcular la velocidad con que llega el cuerpo al suelo:

32 Calcula la E m de un cuerpo, que tiene una velocidad de 8m/s, a una altura de 10 m.
Calcula la altura de un cuerpo, si su E m es de 350 J, cuando su velocidad es de 7 m/s. Calcula la velocidad de un cuerpo, si su Em es de 500 J, cuando su altura es de 8 m.

33 Utilizando el (PCEM), calcula la altura que alcanzará un cuerpo si es lanzado verticalmente hacia arriba, con una v0 de 80 km/h. Calcula la v cuando esté a la mitad de la altura máxima.

34 Se deja caer un cuerpo de 2 kg, desde de 50 m, utilizando el PCEM calcula: a) La Em a 50, 15 y 0 metros de altura. b) La v cuando se encuentra a 20 m de altura. c) La altura, cuando su v es de 18 m/s . d) La v con que llega al suelo.

35 Una piedra de 1,3 kg, se encuentra en reposo a una altura de 12 m
Una piedra de 1,3 kg, se encuentra en reposo a una altura de 12 m. Calcula: a) su energía potencial, b) su energía cinética, c) si se deja caer, calcula la velocidad cuando llega al suelo

36 5- TRABAJO Y ENERGIA El trabajo mecánico se define como el producto de la fuerza aplicada en la dirección del movimiento por el espacio recorrido, s La unidad de W en el S.I. es el Julio (J). 1J = 1 N . 1 m Para que haya W tiene que haber desplazamiento Si la dirección de la fuerza aplicada F no coincide con la dirección del desplazamiento, el W depende del ángulo que forman la fuerza y el desplazamiento. Para calcular su valor hay que calcular el valor de la componente de la F sobre eje x (Fx)

37 En la figura el W que realiza la fuerza F, para desplazar el cuerpo de una posición a otra, será:
y como Si Si Si

38 5.1- RELACIÓN ENTRE TRABAJO Y ENERGÍA
El trabajo mecánico es la forma mediante la cual los cuerpos intercambian energía mecánica, cuando interaccionan entre sí. De forma que se cumple que el trabajo realizado es igual a la variación de la energía mecánica del cuerpo.

39 Sobre un cuerpo de se aplica una F de 25 N, y se desplaza 3 m en la dirección y sentido de la F. Calcula el W realizado. El W realizado sobre un cuerpo es de 270 J. Si la F sobre el cuerpo es de 30 N en la dirección y sentido del desplazamiento. Calcula el espacio recorrido por el cuerpo.

40 Calcula el W realizado, cuando un cuerpo de 5 kg frena hasta detenerse, recorriendo 2 m. El coeficiente de rozamiento es de 0,2 Sobre un cuerpo se ejerce una F, 30º con la horizontal de 35 N. Si recorre 4 m, calcula el W

41 5.2- EL TRABAJO Y LA ENERGÍA POTENCIAL
El W necesario para elevar un cuerpo de masa m una cierta altura h a velocidad constante es: Problema resuelto: Calcula el W necesario para elevar un cuerpo de 2kg de masa, a velocidad constante, a una altura de 5 m.

42 5.3- EL TRABAJO Y LA ENERGÍA CINÉTICA. EL TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS
El W realizado por la F resultante que actúa sobre un cuerpo, se invierte en modificar su energía cinética:

43 Deducción del teorema:
Sustituyendo (2) en (1):

44 Un cuerpo de 2 kg inicialmente en reposo, se mueve sobre un plano horizontal, recorriendo 5 m en 10 s. Utilizando el teorema de las fuerzas vivas (TFV), calcula la velocidad que alcanza el cuerpo.

45 5.4- LA RAPIDEZ DEL TRABAJO: POTENCIA (P)
La potencia mide la rapidez con que se realiza el trabajo. Se define pues, como el trabajo realizado en la unidad de tiempo. La unidad de P en el SI es el watio (W): 1 W es la potencia de una máquina que realiza un trabajo de 1 julio en 1 segundo. También se utiliza como unidad de potencia el caballo de vapor: 1C.V. =735 J

46 El kilowatio -hora ( kW.h ): es una unidad de trabajo, y no de potencia.
1 kW.h es la energía en forma de trabajo, que nos suministra una potencia de 1 Kw, durante 1 hora.

47 El rendimiento de las máquinas:
Las máquinas nunca llegan a desarrollar toda su potencia (potencia teórica) de forma útil. Por ejemplo, si una grúa tiene según el fabricante, una potencia de 1500 W (potencia teórica), el tiempo que debería tardar en levantar 1000 kg a una altura de 3 m sería: Sin embargo el tiempo empleado es mayor, ya que parte de la energía generada por la máquina, se transforma en energía térmica debido a los rozamientos internos entre las piezas móviles. Por tanto la máquina trabajará a una potencia inferior, llamada potencia real.

48 Para relacionar la P teórica con la P real, se define el rendimiento, que se expresa en porcentaje.
Una grúa tiene una Pteórica = W. Si el tiempo que tarda en levantar kg a una altura de 3 m es 25 s, ¿cuál es su rendimiento?

49 Un obrero eleva 15 m un palé de 20 kg en 1 min, y una grúa, en 10 s
Un obrero eleva 15 m un palé de 20 kg en 1 min, y una grúa, en 10 s. ¿hacen el mismo W? ¿Qué potencia tienen?

50 LA ENERGÍA: CALOR Y TRABAJO
PROBLEMAS LA ENERGÍA: CALOR Y TRABAJO

51 12- Transforma las unidades que se indican al S. I
12- Transforma las unidades que se indican al S.I. de unidades (julios, J): a) 0,12 cal; b) 3,64 kcal; c) 0,08 kwh

52 13- Si a dos trozos de igual masa, pero de distintos metales, les suministramos la misma cantidad de calor, ¿aumentarán lo mismo su temperatura? Razónalo Como cada metal tiene un calor específico propio, el aumento de Tª no es el mismo. Aumentará más la Tª del metal con menor calor específico.

53 14- Calcula la energía necesaria para transformar 1 kg de plomo sólido a 20ºC en líquido a 328ºC (temperatura de fusión del plomo), y 1 kg de agua líquida a 20ºC en vapor de agua a 100ºC Energía necesaria para pasar de plomo sólido de 20ºC hasta plomo sólido a 328ºC: Energía para fundir el plomo: Para el agua:

54 15- ¿Cuánto aumentará la temperatura de 500 g de aluminio, si le suministramos J de calor? ce(Al) = 900 J/kg.K 16-¿Cuánta energía se necesita para calentar, desde 20ºC hasta 50ºC, una moneda de cobre de 50 g? ce(Cu) = 385 J/kg.K

55 17- A una masa de agua líquida a 0ºC se suministran 300 cal y su Tª asciende hasta 30ºC. Sabiendo que ce(agua) =4.180 J/kg.K, ¿cuál es la masa de agua? 18- Si se mezclan 5 l de agua a 20ºC con 3l de agua a 100ºC, ¿cuál será la temperatura de la mezcla cuando se alcance el equilibrio? Ce = J/kg.K En el equilibrio:

56 19- En un calorímetro se añaden a 2l de agua a 20ºC, 200 g de un metal que se halla a 250ºC. Si la temperatura de equilibrio es de 25ºC, ¿cuál será el calor específico del metal? En el equilibrio:

57 20- En un calorímetro se colocan 5 kg de agua a 50º C y un kg de hielo a -80ºC. Calcula la temperatura final de la mezcla. (Se funde todo el hielo) En el equilibrio:

58 21- Se desea enfriar 2 kg de agua a 50ºC con agua que está a 20ºC
21- Se desea enfriar 2 kg de agua a 50ºC con agua que está a 20ºC. Para que la mezcla tenga una Tª final de 32ºC, ¿qué cantidad de agua hay que añadir? En el equilibrio:

59 22- Calcula la velocidad de un cuerpo de 265 g, que tiene una energía cinética de 450J
23- Calcula la masa de un cuerpo, a 3,6m de altura y con energía potencial de 387J

60 24- Calcula la energía mecánica de un cuerpo de 2 kg, que tiene una velocidad de 80km/h, a una altura de 458m. 25- Calcula la altura de un cuerpo de 3kg,si su energía mecánica es 765J,y su velocidad de 9,6 m/s.

61 26-Calcula la velocidad de un cuerpo de 1kg,de energía mecánica 876 J, y altura es de 546 cm.
27- Una pelota de 200 g está en reposo a 1 m de altura. ¿Cuál es su Ep? Se deja caer y al llegar al suelo, su v es de 4,43 m/s. ¿Cuánto vale su Ec ? Calcula la Em cuando está arriba y compárala con el valor que se obtiene cuando llega al suelo. Son iguales, debido al principio de conservación de la Em

62 28- Se lanza hacia arriba un cuerpo de 2 kg a 115,2 km/h
28- Se lanza hacia arriba un cuerpo de 2 kg a 115,2 km/h. Calcula sus energías cinética ypotencial: a) en el instante del lanzamiento. b) cuando han transcurrido 2 segundos.

63 29- Un cuerpo de 1 kg en caída libre a una altura de 10 m, con una v de 20 m/s ¿Cuáles son sus energías cinética, potencial y mecánica en ese instante? ¿Desde qué altura se dejó caer? ¿Cuál será la v en el suelo?

64 30- Al tirar de un cuerpo, sobre una superficie horizontal, con una F de 100 N que forma un ángulo de 60º con la superficie, se desplaza 10 m. ¿Cuál es la F que realmente mueve el cuerpo? ¿Qué trabajo se realiza? La fuerza que mueve el cuerpo es:

65 31- Un cuerpo de 10 kg en reposo recorre 300 m en 15 s
31- Un cuerpo de 10 kg en reposo recorre 300 m en 15 s. a) si µ = 0, calcula el W realizado sobre el cuerpo (W motor) y su E cinética. b) si µ = 0,2, calcula el W motor, el W de rozamiento (E disipada en el rozamiento)

66 32- Un coche de 1. 200 kg pasa de 0 a 100 km/h en 10 s
32- Un coche de kg pasa de 0 a 100 km/h en 10 s. Si el µ entre las ruedas y el asfalto es de 0,3, calcula el W de rozamiento, el W realizado por el motor, y la F del motor

67 33- Sobre un cuerpo en reposo de 30 kg, en una superficie horizontal, aplicamos una F horizontal de 200 N. Si µ =0,3, calcula: a) el W realizado sobre el cuerpo (Wm) cuando ha recorrido 500 m. b) la E disipada por rozamiento. c) la E cinética.

68 34- Sobre un cuerpo en reposo de 50 kg, en una superficie horizontal, aplicamos una F de 250 N que forma 30º con el plano. Si µ es 0,2, calcula: a) El W realizado sobre el cuerpo en 20 s. b) Su E cinética en ese instante. c) La E disipada por rozamiento.