LA ENERGÍA EL MOTOR DEL MUNDO

Energía es la capacidad para realizar un trabajo

Un muelle comprimido posee energía, porque al dejarlo en libertad puede empujar un objeto, realizando un trabajo.

Una masa de agua embalsada a una cierta altura posee energía, puesto que al dejarla caer puede mover los álabes de una turbina, produciendo trabajo mecánico.

UNIDADES DE ENERGÍA Julio: es el trabajo que realiza una fuerza de 1 N, al desplazar su punto de aplicación 1 m en su misma dirección. Kilográmetro: es el trabajo que realiza una fuerza de 1 Kilopondio (Kp) al desplazar su punto de aplicación 1 metro en su misma dirección. Ergio: es el trabajo que realiza una fuerza de 1 Dina, al desplazar su punto de aplicación 1 cm en su misma dirección. Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar, a la presión normal, la temperatura de 1 gramo de agua desde 14’5 ºC hasta 15’5ºC Kw*h: es el trabajo realizado por un ser o una máquina de 1 Kw de potencia durante 1h de funcionamiento. Equivale a 3.6*106 Julios.

ERGIOS JULIOS KILOGRÁMETROS WATIOS*S CALORÍAS

EQUIVALENCIA ENTRE UNIDADES DE ENERGÍA

1 J = ? Ergios

1 Kgm = ? J

1 J = ? w*s

1 J = ? cal

Ejercicio 1 Un cuerpo de masa 5kg, inicialmente en reposo, está situado en un plano horizontal sin rozamientos y se le aplica una fuerza horizontal constante de 100 N durante 5 minutos. Con esta fuerza el cuerpo logra desplazarse 240 metros. a) ¿Qué trabajo se realizó? Expresa el resultado en Julios y en Kilográmetros. B) ¿Cuál es el valor de la potencia mecánica desarrollada? Resultados: W= 2,4 *104 J=2,45*103kgm; P= 80w;

Ejercicio 2 Se arrastra una piedra tirando de ella mediante una cuerda que forma con la horizontal un ángulo de 30º y a la que se aplica una fuerza constante de 40kp. ¿Cuánto vale el trabajo realizado en un recorrido de 200 m? Resultado: W= 40000 J

MANIFESTACIONES DE LA ENERGÍA. CALOR ESPECÍFICO El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de materia. El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura: donde: Q es el calor aportado al sistema. m es la masa del sistema. c es el calor específico del sistema. ΔT es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. Las unidades más habituales de calor específico son J / (kg · K) y cal / (g · °C). El calor específico de un material depende de su temperatura; no obstante, en muchos procesos termodinámicos su variación es tan pequeña que puede considerarse que el calor específico es constante. De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico del agua es aproximadamente: video sobre calor específico

FORMAS DE MANIFESTACIÓN DE LA ENERGÍA- CALOR ENERGÍA TÉRMICA dos corpos, calor específico Energía adquirida por una masa de agua m; Q= m* 1cal/(g*ºC)* (Tf-Ti); Q= calor absorbido por la masa de agua (cal); m= masa del agua en gramos (g) T= temperaturas en grados centígrados (ºC). cagua=1cal/(g*ºC)= calor específico del agua.

ejercicio, calor específico Determina la temperatura a la que se elevarían 2’5 litros de agua si absorbieron una energía de 4’3 Kcal e inicialmente se hallaban en una habitacón con una temperatura de 20 ºC. Densidad del agua = 1kg/dm3 = masa/volumen Tf= 21.72ºC

ejercicio, calor específico Calcula la cantidad de calor acumulado en el agua de un radiador de un coche, antes de que se ponga el ventilador en marcha, si su temperatura se elevó desde 22ºC, antes de ponerse en marcha, hasta los 97ºC. El volumen de agua es de 3’5 litros. Resultado= Q=262.5 Kcal.

ejercicio, calor específico Un hierro de planchar tiene su base de aluminio, de superficie 50 cm2 y espesor 1 cm. Sabiendo que su temperatura pasó de 18 ºC a 60 ºC en 10 segundos y si se desprecian las pérdidas de calor por radiación y conducción, calcula la energía térmica acumulada en kcal, así como la potencia del hierro. Densidad del aluminio 2’75 kg/dm3. Resultado= Q= 1.22 Kcal; Potencia=P= 511.75 W (hay que pasar las kcal a Julios para que la potencia salga en watios).

MANIFESTACIONES DE LA ENERGÍA. ENERGÍA TÉRMICA - CALOR CALOR: es una forma de energía debida a la agitación de las moléculas que componen un cuerpo, que se manifiesta por las variaciones de temperatura, cambios de estado y de volumen de los mismos y que se transmite de unos a otros como consecuencia de una diferencia de temperatura. Esta transmisión de calor puede tener lugar de tres maneras diferentes: Energía térmica de conducción Energía térmica de convección Energía térmica de radiación

ENERGÍA TERMICA DE CONDUCCIÓN La conducción consiste en el transporte de energía calorífica sin transporte de materia, pero en presencia de ésta. Es un proceso típico de los sólidos, consecuencia de la agitación molecular que hace posible el intercambio de energía cinética entre unas moléculas y sus vecinas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.

ENERGÍA TÉRMICA- conducción Fórmula que emplearemos para los ejercicios: Donde: d en metros, S en metros cuadrados, Q en Kcal.

ejercicio conducción una caldera con unas paredes de 5 mm de espesor y de superficie 345 cm2 se quiere mantener a 125ºC. Sabiendo que está fabricada de acero, determina la cantidad de calor que es necesario aportar por hora en (Kcal/h)para mantener esta temperatura. Se supone que en el exterior tenemos 22ºC. Respuesta: Q/t=8883.75 Kcal/h

ejercicio 2 conducción Un frigorífico que tiene las siguientes dimensiones 55cm ancho, 55 cm de fondo y 125 cm de alto, lleva un recubrimiento, alrededor de cada una de las seis paredes, de fibra de vidrio de 3 cm de espesor. Calcula la cantidad de calor por hora que se deberá extraer si se quiere mantener en el interior una temperatura de 5 ºC si en el exterior hay 28 ºC. Resultado: Q/t= 33.44 Kcal/h

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA CALORÍFICA POR CONVECCIÓN La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Estos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura.

TRANSMISIÓN DEL CALOR POR CONVECCIÓN Q= * S (Tf-Ti)*t Donde Q= calor en kcal. = coeficiente de convección en kcal/(m2 *horas * ºC). t= tiempo en h (h=horas). S= superficie en contacto con el fluido en m2. Tf= temperatura de la superficie del cuerpo. Ti= temperatura del fluido lejos de la superficie.

Coeficientes de convección Material Kcal/(h.ºC.m2) Líquido en reposo 500 Líquido en ebullición Vapores en condensación 10000 Gases en reposo si el incremento de T es menor de 15 ºC si el incremento de T es mayor de 15 ºC (T= temperatura en ºC)

Ejercicio convección Calcula la cantidad de calor transmitido por convección al techo, en una habitación, durante 4 horas, si se dispone de un radiador eléctrico de superficie 1.5 metros cuadrados, colocado en la parte inferior. La temperatura del radiador es de 120ºC y la de la habitación de 35ºC (esta temperatura se mantiene constante). Resultado= Q=3407 kcal

Ejercicio convección Determina la cantidad de calor por hora (en kcal/h) que se transmitirá por convección a la parte alta de una pota, llena de agua, en el momento en que la temperatura interior es de 25ºC y después de empezar a hervir. La temperatura en la parte inferior es de 200ºC y el diámetro de la pota es de 25 cm. Resultado: 4295,15 kcal/h; 49087,38 kcal/h

Transmisión del calor por radiación Todo cuerpo a temperaturas ordinarias emite energía en forma de radiación electromagnética. A temperaturas ordinarias casi toda la energía se transporta en ondas de infrarrojo. La radiación de energía de una superficie es proporcional a su área S, y aumenta rápidamente con la temperatura según la cuarta potencia de la temperatura absoluta (grados Kelvin). La radiación también depende de la naturaleza de la superficie, está dependencia se describe con una variable llamada emisividad e, es un número entre 0 y 1. La radiación también depende de la constante de Stefan-Boltzman.

Transmisión del calor por radiación La corriente de calor H es la cantidad de calor irradiado por unidad de tiempo es igual a: La temperatura se mide normalmente en ºC pero en esta fórmula se expresa en grados Kelvin (K) y se denomina temperatura absoluta. La relación entre una y otra es: T(K)=273+T(ºC)

Corriente de radiación neta Salida neta de calor S= superficie en metros cuadrados e= emisividad, valor entre 0 y 1 adimensional Tirradia= Temperatura del cuerpo que irradia calor en grados Kelvin Tentorno= Temperatura en el entorno del cuerpo que irradia calor en grados Kelvin

ejercicio de radiación Una placa de acero delgada cuadrada, de 10 cm por lado, se calienta en una forja de herrero a 800 ºC. Si su emisividad es de 0.60, calcular la razón total de radiación de energía H. SOLUCIÓN: H=S*e* *T4 H=900 w

ejercicio de radiación La superficie del cuerpo humano es de 1,2 metros cuadrados aproximadamente y su temperatura de T= 30 ºC. Calcula la energía calorífica en forma de radiación que emite el cuerpo humano. Calcula la pérdida neta de calor del cuerpo humano por radiación si la temperatura del entorno es de Tentorno= 20 ºC. Emisividad del cuerpo humano aproximadamente igual a 1. SOLUCIÓN: H= 574 w; Hneta=72 w;

Ejercicio radiación Un foco que se emplea para el secado de pinturas de automóviles tiene una temperatura de 600ºC. Sabiendo que la temperatura ambiente ( y también la chapa del coche a pintar) es de 35ºC y que no aumenta a lo largo del tiempo, calcula el calor transmitido po hora si la superficie del foco es de 100 cm cuadrados y el material con el que está fabricado este foco és de porcelana.

Ejercicio de radiación Se emplea un radiador de infrarrojos para calentar una bañera de porcelana. Sabiendo que el reflector del radiador (fabricado de acero niquelado) alcanza una temperatura de 120 ºC y que la temperatura ambiente es de 22 ºC (manteniéndose constante a lo largo del tiempo), calcula la cantidad de calor emitido por hora. La superficie del radiador es de 0.25 metros cuadrados.

ENERGÍA MECÁNICA Puede definirse como la capacidad que posee un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de su velocidad (energía cinética), de su posición en un punto de un campo gravitatorio (energía potencial), de su estado de tensión (energía potencial elástica), etc. Em=Ec+Ep

ENERGÍA CINÉTICA Es la energía Ec que posee un cuerpo en movimiento debido a su velocidad. Ec= ½ m v2

ENERGÍA CINÉTICA Si sobre un cuerpo de masa m, actúa una fuerza que realiza un cierto trabajo W, y la velocidad del cuerpo aumenta desde un valor inicial v1 a otro final v2, se cumplirá que: W=½ m (v2)2- ½ m (v1)2=Ec1-Ec2 Esta fórmula recibe el nombre de Teorema de las fuerzas vivas.

TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS W=½ m (v2)2- ½ m (v1)2=Ec1-Ec2 Esta fórmula recibe el nombre de Teorema de la energía cinética o de las fuerzas vivas que se puede enunciar así: El trabajo realizado por una fuerza al actuar sobre su cuerpo durante cierto tiempo es igual a la variación de energía cinética experimentada por el cuerpo en ese tiempo.

ejercicio Energía cinética un proyectil de 0.4 Kg atraviesa una pared de 0.5 m de espesor. La velocidad del proyectil al llegar a la pared era de 400 m/s y al salir, de 100 m/s. Calcular: a) la energía cinética del proyectil al llegar a la pared y al salir de ella. b) El trabajo realizado por el proyectil. SOLUCIÓN: a) Ec de llegada= Ec1= ½* m* (v1)2= ½* 0.4 Kg*(400 m/s)2= 32000 J Ec de salida= Ec2= ½ m (v2)2=1/2* 0.4 Kg* (100 m/s)2= 2000J b) W= Ec2-Ec1= 2000J-32000J= - 30000J El trabajo es negativo, al ser producido por el proyectil que tiene que vencer la resistencia que opone la pared a su penetración.

Energía potencial gravitatoria La Energía potencial gravitatoria Ep es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa en un campo gravitatorio. Ep= m*g*h La expresión Ep= m*g*h, sólo es válida para alturas pequeñas, en las que el valor de la aceleración de la gravedad se pueda considerar constante. h Peso=P=m*g Ep= m*g*h

Ejercicio de Energía potencial gravitatoria Un objeto de 50 kg se halla a 10 metros de altura sobre la azotea de un edificio, cuya altura, respecto al suelo, es 250 m. ¿Qué energía potencial gravitatoria posee dicho objeto? SOLUCIÓN: El ejercicio admite dos soluciones. Se puede calcular la energía potencial gravitatoria del objeto respecto al suelo de la azotea, o respecto al suelo real del edificio. En el primer caso: Ep= m*g*h= 50 Kg* 9.8 m/s2* 10 m= 4900 J En el segundo caso: Ep= m*g*h= 50 Kg * 9.8 m/s2* 260 m= 127400 J por lo tanto al resolver el problema debemos especificar cuál ha sido el nivel de referencia que hemos considerado.

Ejercicio de Energía mecánica Un avión lanza una carga de 1000 kg cuando se encuentra a una altura de 800 m. Calcula su energía cinética y mecánica en los siguientes casos: a) Cuando el objeto recorrió una distancia de 430 m. B) Cuando el objeto está a punto de impactar contra el suelo. Resultado a) Ec= 4.214*106J; Em= 7.84* 106J b) Ec=7.84* 106J ; Em= 7.84* 106J

Energía potencial elástica La energía potencial elástica es la energía que posee un cuerpo elástico(resorte) en virtud de su estado de tensión. Ep= ½*k*x2 donde k es la constante elástica del resorte, y x es su deformación.

Ley de Hooke la ley de Hooke establece que en los cuerpos elásticos la fuerza deformadora F es directamente proporcional a la deformación x producida: F= k*x, siendo K la constante elástica del resorte, que se expresa en el S.I. en N/m.

Ejercicio energía potencial elástica Un muelle de longitud 20 cm, se alarga a 28 cm al aplicarle una fuerza de 2 N. ¿Qué energía potencial elástica posee en estas condiciones? SOLUCIÓN: Como no nos facilitan el valor de la constante elástica k, deberemos hallarla a través de la Ley de Hooke (F=k*x). F= 2N x=deformación=(28-20)cm=8cm=0.08m F=k*x; k= F/x=2N/0.08m=25 N/m Una vez calculada la constante elástica k, ya podemos hallar la energía potencial elástica mediante la siguiente fórmula: Ep= ½*k*x2; Ep= ½*25 N/m*(0.08m)2=0.08 N*m= 0.08 J

Energía Química Nos centraremos en la energía química de combustión. Fórmula del calor desprendido para : materiales sólidos y líquidos: Q=Pc*m; donde m es la masa en Kg. combustibles gaseosos: Q=Pc*V; donde V es el volumen en m3. Pc es el poder calorífico y se indica en Kcal/Kg para los sólidos y líquidos y en Kcal/m3para los gases.

Energía química de combustión. Poder calorífico Pc El valor de Pc que se indica en las tablas corresponde a condiciones normales (1 atmósfera de presión y 0 ºC de temperatura). En otras condiciones de presión p y temperatura T, el valor será:

Ejercicio energía química Calcula la energía liberada al quemar 5 kg de madera. SOLUCION: EL Pc medio de la madera es de 3050 Kcal/Kg (sólido) Q=Pc*m=3050 Kcal/Kg* 5 Kg=15000 Kcal

Ejercicio energía química Determina la energía total obtenida al quemar 2 m3 de gas natural que se utiliza a una presión de 1’5 atm y a una temperatura de 22 ºC. SOLUCIÓN: Pc=Pc*p*(273/(273+T))=8540 Kcal/m3* 1.5 atm*(273/(273ºC+22ºC)) *ºC/atm= 11854.68 Kcal/m3

Ejercicio energía química ¿Qué cantidad de butano será necesario quemar para obtener una energía calorífica de 10 Kw*h? La presión de consumo es de 2 atm y la temperatura de 28 ºC. solución: 0.207 m3

Energía eléctrica Es la energía que posee la corriente eléctrica. Se transforma muy fácilmente, y sin producir apenas contaminación, en otros tipos de energía. Es muy cómoda de utilizar.

Ee=V*I*t=P*t (en julios J) Energía eléctrica La cantidad de energía eléctrica CONSUMIDA por un aparato receptor y transformada en otro tipo de energía viene dada por la siguiente expresión: Ee=V*I*t=P*t (en julios J) siendo V el voltaje en Voltios v. I la corriente eléctrica en amperios A. t el tiempo en segundos sg. P la potencia en watios w. (1 w= 1J/sg)

Ejercicio de energía eléctrica Por un molinillo de café conectado a una red de 220 V circula una corriente de 0.7ª. ¿Cuánta energía eléctrica consume en 1 minuto? SOLUCIÓN: Ee=V*I*t Ee= 220 V* 0.7A* 60 s Ee= 9240 J

Energía nuclear Es la energía propia de la materia contenida en el núcleo de los átomos. FISIÓN: al fisionar un átomo de uranio o plutonio, se obtiene una gran cantidad de energía en forma de calor. FUSIÓN: al unir un núcleo de deuterio y otro de tritio, formando helio, se puede obtener energía térmica.

E= m*c2 (en julios); Energía nuclear Einstein demostró que la materia era una forma de energía. Se sabe que en la fisión el peso resultante de la reacción nuclear es un poco menor que la suma de los pesos de sus componentes. Esa diferencia de peso se transforma en energía según la fórmula: E= m*c2 (en julios); E= energía calorífica en julios J m= masa en kilogramos Kg c= velocidad de la luz, 3*108 m/s

Ejercicio de energía nuclear Calcula la energía liberada (en Kcal) en una reacción nuclear suponiendo que se han transformado 2g de uranio en energía calorífica. SOLUCIÓN: m= 2g=0.002 Kg E=m*c2= 0.002 Kg * (3*108m/s)2 E=1.8 * 1014 Kg *m/s2*m E=1.8 * 1014* N*m E=1.8 * 1014 J= 4.31* 1013cal= 4.31 1013 Kcal

1er principio de la termodinámica La energía ni se crea ni se destruye, sino que se transforma. Para este principio habría que excluir todos los procesos termonucleares en los que parte de la masa se transforma en energía, según la fórmula de Einstein vista anteriormente.

1er principio de la termodinámica La formulación matemática de este principio se puede expresar mediante la fórmula:

ejercicio del primer principio de la termodinámica. Si se comunica a un sistema una cantidad de calor de 800 cal y realiza un trabajo de 2 KJ. ¿Cuál es la variación de energía que experimenta? SOLUCIÓN: Q=800 cal= 800 cal* 4.18 J/cal=3344J W=- 2000J variación de energía= Q+W=3344J-2000J

1er principio de la termodinámica El sistema pierde calor Q<0 Damos calor al sistema Q>0 SISTEMA Realizamos un trabajo sobre el sistema W>0 El sistema realiza un trabajo W<0 En un sistema aislado, la energía total permanece constante ya que Q=W=0 y por lo tanto Ef=Ei

Rendimiento Se llama rendimiento de una máquina a la relación entre el trabajo o energía suministrado por una máquina y la energía que ha sido necesario aportarle. Viene dada por la expresión: Lo ideal sería que fuese igual a 1. Eso querría decir que la máquina no desperdiciaría ninguna energía. Desgraciadamente, siempre es menor que 1 (nunca mayor).

Ejercicio rendimiento Se dispone de un motor para bombear agua a un depósito que se encuentra a 40 m de altura. Calcula su rendimiento si con 3 Kg de combustible(gasóleo) suministramos al depósito 100 000 litros. Se supone que 1 litro de agua = 1 Kg de agua. (Pc del gasóleo= 10 300Kcal/Kg). SOLUCIÓN: La energía suministrada es la de la combustión del gasóleo. Es=Pc*m=10 300 Kcal/Kg * 3 Kg= 30 900 Kcal El trabajo realizado es elevar el agua a un depósito a 40 metros de altura Ep= m*g*h= 100 000 Kg * 9.8 m/s2*40m=39 200 000 Julios = 39200 KJ Para poder dividir la energía suministrada entre el trabajo realizado y así calcular el rendimiento, deben estar ambas magnitudes en las mismas unidades. Pasamos la energía suministrada a KJ. Es= 30900 Kcal *4.18 KJ/Kcal=129 162 KJ Por lo tanto el rendimiento es de n= 39200 KJ/129162 KJ =0.3035; rendimiento= 30.35%

Eficiencia energética Electrodomésticos y lámparas. Bombas de calor de máquinas de aire acondicionado. Pegatina que señala la eficiencia energética de lámparas y electrodomésticos. Características energéticas aplicables a electrodomésticos.