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

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

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

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

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 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.

ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR CONCEPTO DE ENERGÍA 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 realizar un trabajo. La causa de los cambios son las interacciones de la materia.

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

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

MECÁNICA: CINÉTICA POTENCIAL ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR MECÁNICA: CINÉTICA POTENCIAL LA ENERGÍA CINÉTICA Y LA POTENCIAL SON INTERCONVERTIBLES. EM = EC + EP

¿COMO SE MIDE LA ENERGÍA? ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR ¿COMO SE MIDE LA ENERGÍA? La forma de energía más conocida es el calor (Q). Cantidad de calor que se le ha de dar a 1g. de agua para que su temperatura aumente 1ºC. CALORÍA 1 cal. = 4,18 J. 1 J. = 0,24 cal. Trabajo necesario para elevar a un metro de altura un objeto de 102g. de masa. JULIO (S.I.) P = 1N KWh (Sistemas eléctricos) 1 KWh = 3600000 J.

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

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

EJERCICIO RESUELTO - 1 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. 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.

EJERCICIO RESUELTO - 2 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 cinética de las aspas del ventilador + energía calorífica que se disipa al ambiente.

EJERCICIO RESUELTO - 3 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 (EP =0)

ACTIVIDADES PARA CASA - 1 Di si los siguientes sistemas son abiertos, cerrados o aislados? Un ser vivo, una olla hirviendo, el Universo, un refresco al sacarlo del frigorífico y una nave espacial. Un cuerpo situado en lo alto de una colina, presenta una energía potencial de 500J. ¿Cuánto vale su energía mecánica? ¿Y su energía cinética? 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? Un calefactor irradia 1,5 Kwh. Calcula en calorías y en julios la energía suministrada en 5 horas. ¿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.?

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

ACTIVIDADES - 1 EM =500J. EC =0J. EM =500J. EC =250J. EP =250J. Un cuerpo situado en lo alto de una colina, presenta una energía potencial de 500J. ¿Cuánto vale su energía mecánica? ¿Y su energía cinética? 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? EM =500J. EC =0J. EM =500J. EC =250J. EP =250J.

ACTIVIDADES - 1 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. 7,5 Kw. X 3600000 Kw./J = 2,7.107 J. 2,7.107 J. X 0,24 = 6,48 .106 Cal. ¿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€

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR 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. 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.

RENDIMINETO ENERGÉTICO ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR RENDIMINETO ENERGÉTICO Es el cociente entre la energía útil y la energía suministrada, y suele medirse en tantos por ciento. R = EU /ES .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.

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

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

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

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

ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR 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. Ep = m . g . h UNIDAD 6 Ej) Calcula la Ep que posee un cuerpo de 50kg localizado a 15 m de altura. Ep = m (50Kg). g (9,8m/s2) . h (15m) = 7350 J.

ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA Siendo: k = constante elástica DX = incremento de longitud del muelle o del cuerpo elástico. Responde a la siguiente ecuación: Ep = ½ k . (DX)2 La EP es proporcional a la mitad de la constante elástica del cuerpo y al cuadrado de su alargamiento. Ej) Calcula la Ep que posee un muelle cuando se alarga 12cm. Y presenta una k = 0,25 N/m. Ep = ½ k (0,25/2 N/m) (0,12 m)2 = 0,125 N/m . 0,0144m2 = 0,0018 J.

ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR ENERGÍA CINÉTICA Se debe al movimiento de los cuerpos. La Ec es proporcional a la mitad de la masa del cuerpo y al cuadrado de su velocidad. Ec = ½ m . v2 Ej) Calcula la Ec que posee un móvil de 500Kg de masa y que se mueve a una velocidad de 80Km/h. Ec = ½ m (500/2 Kg) (80000/3600 m/s)2 = 250Kg . 493,82m/s2 = 123456,8 J.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA MECÁNICA: CINÉTICA + POTENCIAL EN UN SISTEMA AISLADO “LA ENERGÍA NI SE CREA NI SE DESTRUYE SOLO SE TRANSFORMA”. EM = EC + EP 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.

ACTIVIDADES PARA CASA - 2 Una piedra de 2,4 Kg. se encuentra en reposo a una altura de 10m sobre el suelo, calcula: su energía potencial, cinética y mecánica, así como la velocidad con la que llegaría al suelo. Una televisión irradia 3,2 Kwh. Calcula en kilocalorías y en julios la energía suministrada en 3 horas. Calcula la energía potencial de un muelle que colgándole 100g se alarga 2,5cm. 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%? Enumera 5 procesos de la vida diaria en los que se producen pérdidas de energía por disipación calorífica.

ACTIVIDADES - 2 Una piedra de 2,4 Kg. se encuentra en reposo a una altura de 10m. Sobre el suelo, calcula: Ep = m . g . h = 2,4 Kg. . 9,8 m/s2 . 10 m. = 235,2 J Su energía potencial. Su energía cinética. Su energía mecánica. La velocidad con la que llegaría al suelo. Ec = ½ m . V2 = 2,4/2 Kg. . 0 = 0 J EM = EC + EP = 0 J + 235,2 J = 235,2 J Cuando llegue al suelo toda la EP se habrá convertido en EC. V2 = 235,2 J/ 1,2 Kg.; V = 14 m/s Ec = ½ m . V2 ; 235,2 J = 2,4/2 Kg. . V2

ACTIVIDADES - 2 Una televisión irradia 3,2 Kwh. Calcula en kilocalorías y en julios la energía suministrada en 3 horas. 9,6 Kw. X 3600000 Kw./J = 3,5.107 J. 3,2 Kwh. X 3 h. = 9,6Kw. 3,5.107 J. X 0,24 = 8,4 .106 Cal. 8,4 .106 Cal. X 10-3 Kcal./Cal. = 8400Kcal.

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

ACTIVIDADES - 2 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 = EU /ES .100; R = 80J/200J .100 = 40% Q = ES - EU = 120J No, ninguna máquina tiene un rendimiento del 100%, es decir, siempre se disipa algo de calor. Enumera 5 procesos de la vida diaria en los que se producen pérdidas de energía por disipación calorífica. Encender una bombilla. Calentar agua en la vitrocerámica. Encender el motor del coche. La combustión del gas doméstico para la calefacción. Encender un ordenador o un proyector.

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

ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR W = F . DX 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 . uff, uff W=F x Trabajo realizado por el hombre Fuerza aplicada Distancia que se desplaza el objeto W = F . DX . Cos a

ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR EL TRABAJO MODIFICA LA ENERGÍA MECÁNICA W = DEM MODIFICA LA ENERGÍA POTENCIAL MODIFICA LA ENERGÍA CINÉTICA W = DEP W = DEC W = F . Dh = m . g (hB – ha) = (m . g . hB)- (m . g . hA)= EpB - EpA = DEp Página 137 de libro de texto

ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR POTENCIA “ES LA RAPIDEZ EN EL TRABAJO” POTENCIA ES EL TRABAJO TRANSFERIDO POR UNIDAD DE TIEMPO 1 vatio es entonces la potencia de una máquina que transfiere el trabajo de un julio por segundo. P = W/T Su unidad en el S. I. es el J/s = W (vatio) 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 3,6.106 J.

EJERCICIO RESUELTO - 3 W = F . DX ¿Qué trabajo hemos de realizar para levantar una masa de 5 Kg. a una altura de 12m.? W = (5 Kg. . 9.8 m/s2) . 12m. = 588 J. W = F . DX

EJERCICIO RESUELTO - 4 W = F . DX . Cos a ¿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 = F . DX . Cos a W = (7 Kg. 9,8 m/s2) . 10m . Cos 30º W = 68,6 . 10 . 0,866 = 594,1 J.

EJERCICIO RESUELTO - 5 W = F . DX PManuel = W/T PAntonio = W/T ¿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? W = F . DX W = (10 Kg. . 9.8 m/s2) . 10 m. = 980 J. PManuel = W/T P = 980 J./ 10s. = 98 W. 1 CV.= 735 W. 98w.1CV/735w = 0,13 CV. 980J.1Kwh/ 3,6.106J = 2,72 . 10-4 Kwh. 1 Kwh. = 3,6.106 J. PAntonio = W/T P = 980 J./ 2s. = 490 W. PAntonio / PManuel = 490w/98w = 5 veces.

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

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

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

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

ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR 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 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) + 273

EJERCICIO RESUELTO - 6 Expresa la temperatura de 36,5ºC en ºF y ºK. T(ºC)/5 = T(ºF) – 32/9 T(ºK) = T(ºC) + 273 36,5/5 +32/9 = 10,86ºF 36,5 + 273 = 309,5ºK

ACTIVIDADES PARA CASA - 5 Actividad 25-27-31-32 página 142. Actividades 35-37-39 página 143. Actividades 21-22 página 158.