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

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1 LA ENERGÍA: CALOR Y TRABAJO 1 TEMA 3 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 2

3 INDICE 4.LA ENERGÍA MECÁNICA 4.1. LA ENERGÍA CINÉTICA 4.2. LA ENERGÍA POTENCIAL 4.3. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA 5.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 3

4 1.1- TIPOS DE ENERGÍAS : 1- LA ENERGIA La energía es la capacidad que tienen los cuerpos para producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Energ í a mec á nica : Puede ser de dos tipos: Energ í a cin é tica : asociada a la velocidad de los cuerpos. Energ í a 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: 4

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. 5 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 6 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 energ í a se degrada cuando se transforma en energ í a t é rmica.

7 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 8 Unidad de energ í a en el S.I.: Julio (J). Tambi é n se utiliza la calor í a (cal). 1 cal = 4,18 J o 1J = 0,24 cal CUERPO A CUERPO B CALOR 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 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 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 11 ¿ C ó mo explicas que un radiador, caliente todo el aire de una habitaci ó n, si se encuentra en un extremo. Ilustra tu respuesta con un dibujo. Debido a las corrientes de convección.

12 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 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 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. C f : 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 caracter í sticos.

15 15 Calores latentes (k j/kg) Sustancia Calor latente de fusión (C v ) Calor latente de vaporización (C v ) Agua334, Etanol Mercurio11,3296 Plomo24,7858 Zinc

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

17 CALOR ESPEC Í FICO Calor espec í fico c e de una sustancia es la cantidad de energ í a 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 Energ í a necesaria variar la Tª de una sustancia de masa m, y de calor espec í fico c e desde una T i hasta una T f

18 18 Calores específicos (J/kg. K) Sustanciacece Agua(líquida)4.180 Hielo2.090 Vapor de agua2.090 Alcohol2.450 Aluminio899 Hierro452 Cobre385 Mercurio138 Plata234 Plomo130 Oro130

19 19 Calcula la energ í a necesaria para elevar 15 º C 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 CALORIMETR Í A Cuando dos cuerpos a distinta Tª se ponen en contacto, pasar á calor desde el cuerpo que tiene m á s Tª al otro, hasta que se igualen ambas. Dos cuerpos a T 1 y T 2, siendo T 1 T 2, intercambian Q hasta alcanzar la Tª de equilibrio T e, tal que T 1 T e T 2. Según el principio de conservaci ó n de la energ í a, alcanzado el equilibrio t é rmico se ha de cumplir que:

21 21 ¿ C ó mo se mide el calor espec í fico? Para medir el c e de una sustancia (aluminio por ejemplo), se pone una masa de agua m agua, en un calor í metro y se mide su T agua. A continuaci ó n se pesa una pieza de aluminio, m Al, se calienta a una T Al, y se introduce en el calor í metro. El Al ceder á calor al agua, y finalmente alcanzar á una Tª de equilibrio (T e ). Entonces:

22 22 En un calor í metro que contiene 2 litros de agua a 30 º C, se a ñ aden 100 gramos de cobre a 65 º C. ¿ Cu á l es la temperatura de equilibrio?

23 23 Mezclamos en un termo 150 gramos de agua a 30 0 C y 50 gramos de hielo a 0 º C. a) ¿ Fundir á todo el hielo? En caso de que as í sea, ¿ cu á l ser á la temperatura de equilibrio, T e ? Como el valor absoluto del calor cedido por el agua, es mayor que el calor ganado por el hielo, fundir á todo el hielo, y T e 0 º C

24 24

25 25 4- LA ENERGIA MECANICA (E m ) Es la energ í a que tiene un cuerpo, asociada a su movimiento y a su posici ó n. Puede ser de dos tipos: 4.1- ENERG Í A CIN É TICA (E C ) Energ í a que posee un cuerpo, debido a su movimiento. Es proporcional a su masa, y al cuadrado de su velocidad.

26 ENERG Í A POTENCIAL (E P ) Energ í a potencial gravitatoria: es la energ í a que tienen los cuerpos debido a su posici ó n en el campo gravitatorio. Energ í a potencial el á stica: es la energ í a que tienen los cuerpos el á sticos, cuando se someten a una deformaci ó n K: cte de elasticidad ; x: deformaci ó n producida h:altura sobre la superficie de la Tierra.

27 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 E c de 200 J.

28 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 CONSERVACI Ó N DE LA ENERG Í A MEC Á NICA Se define la energ í a mec á nica de un cuerpo, como la suma de sus energ í as cin é tica y potencial. Principio de conservaci ó n de la E m : Cuando un cuerpo cae libremente, est á sometido solo a su peso, y su energ í a potencial se va transformando en energ í a cin é tica, de tal manera que la suma de ambas es constante: Otra forma de expresarlo ser í a:

30 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, v 0 = 0, y el cuerpo solo tiene energ í a potencial: Cuando el cuerpo llega al suelo toda su energ í a potencial se ha transformado en energ í a cin é tica, luego: y A lo largo del recorrido, La E p se va transformando en E c, es decir la E p del cuerpo disminuye al tiempo que aumenta su E c, pero la suma de ambas ser á siempre de 19,6 J.

31 31 Podr í amos calcular la velocidad con que llega el cuerpo al suelo: Cuando el cuerpo se encuentra en la mitad del recorrido, posee tanto E p como E c, y la suma sigue siendo 19,6 J

32 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 E m es de 500 J, cuando su altura es de 8 m.

33 33 Utilizando el (PCEM), calcula la altura que alcanzar á un cuerpo si es lanzado verticalmente hacia arriba, con una v 0 de 80 km/h. Calcula la v cuando esté a la mitad de la altura m á xima.

34 34 Se deja caer un cuerpo de 2 kg, desde de 50 m, utilizando el PCEM calcula: a) La E m 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 35 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 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 direcci ó n de la fuerza aplicada F no coincide con la direcci ó n del desplazamiento, el W depende del á ngulo 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 (F x )

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

38 RELACI Ó N ENTRE TRABAJO Y ENERG Í A El trabajo mec á nico es la forma mediante la cual los cuerpos intercambian energ í a mec á nica, cuando interaccionan entre s í. De forma que se cumple que el trabajo realizado es igual a la variaci ó n de la energ í a mecánica del cuerpo.

39 39 Sobre un cuerpo de se aplica una F de 25 N, y se desplaza 3 m en la direcci ó n 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 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, 30 º con la horizontal de 35 N. Si recorre 4 m, calcula el W

41 EL TRABAJO Y LA ENERG Í A 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 EL TRABAJO Y LA ENERG Í A CIN É TICA. EL TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS El W realizado por la F resultante que act ú a sobre un cuerpo, se invierte en modificar su energ í a cin é tica:

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

44 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 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 m á quina que realiza un trabajo de 1 julio en 1 segundo. Tambi é n se utiliza como unidad de potencia el caballo de vapor: 1C.V. =735 J

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

47 47 El rendimiento de las m á quinas: Las m á quinas nunca llegan a desarrollar toda su potencia (potencia te ó rica) de forma ú til. Por ejemplo, si una gr ú a tiene seg ú n el fabricante, una potencia de 1500 W (potencia te ó rica), el tiempo que deber í a tardar en levantar 1000 kg a una altura de 3 m ser í a: Sin embargo el tiempo empleado es mayor, ya que parte de la energ í a generada por la m á quina, se transforma en energ í a t é rmica debido a los rozamientos internos entre las piezas m ó viles. Por tanto la m á quina trabajar á a una potencia inferior, llamada potencia real.

48 48 Para relacionar la P te ó rica con la P real, se define el rendimiento, que se expresa en porcentaje. Una gr ú a tiene una P te ó rica = W. Si el tiempo que tarda en levantar kg a una altura de 3 m es 25 s, ¿ cu á l es su rendimiento?

49 49 Un obrero eleva 15 m un pal é de 20 kg en 1 min, y una gr ú a, en 10 s. ¿ hacen el mismo W? ¿ Qu é potencia tienen?

50 50 PROBLEMAS LA ENERGÍA: CALOR Y TRABAJO

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

55 A una masa de agua líquida a 0ºC se suministran 300 cal y su Tª asciende hasta 30ºC. Sabiendo que c e(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? C e = J/kg.K En el equilibrio:

56 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 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 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 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 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 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 E p ? Se deja caer y al llegar al suelo, su v es de 4,43 m/s. ¿Cuánto vale su E c ? Calcula la E m cuando está arriba y compárala con el valor que se obtiene cuando llega al suelo. Son iguales, debido al principio de conservación de la E m

62 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 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 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 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 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 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 (W m ) cuando ha recorrido 500 m. b) la E disipada por rozamiento. c) la E cinética.

68 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.


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