Tema 13 Materia y energía 4 Trabajo y energía mecánica. Unidades

Temas de 2º de ESO
Resumen del tema 13
Tema 13
Juan Reyes
Materia y energía
4 Trabajo y energía mecánica. Unidades de la energía
2 ¿Cómo se representa la energía?
3 Cambio y conservación
5 Calor y temperatura
6 Equivalencia entre calor y trabajo
4 Trabajo y energía mecánica. Unidades de la energía
En el tema 12 hemos visto que las fuerzas son la causa de que los cuerpos se muevan.
En este tema definimos una nueva magnitud relacionda estrechamente con la fuerza. Se trata de una
magnitud conocida como Trabajo (simbolizada por T o W)
Definición de trabajo:
Cuando un cuerpo es sometido a una fuerza F y, como consecuencia de ella, se desplaza un determi­
nado espacio, se dice que el cuerpo ha recibido un trabajo igual al producto de la fuerza por el espacio
recorrido
T =F⋅e
La unidad del trabajo en el sistema internacional es el Julio; 1J=1N⋅1m se la ha puesto ese nom­
bre en honor del físico James Prescott Joule
Otro concepto equivalente al de trabajo es el de energía: En Física se define energía como la capaci­
dad que posee un cuerpo para realizar trabajo
Podemos decir el cuerpo posee energía (E) si puede hacer un trabajo, un cambio en el mismo cuer­
po o en el ambiente y el trabajo es la realización de este cambio.
La energía tiene la misma unidad que el trabajo: el julio.
2 Formas de energía
Fundamentalmente hay dos tipos de energía:
• Energía potencial es la energía que permanece retenida en un cuerpo y que puede producir al­
guna transformación cuando sea necesario.
Por ejemplo un cuerpo que se encuentre a una altura posee energía potencial puesto que si se le suel­
ta cae al suelo (la Tierra hace el trabajo usando la fuerza de la gravedad para mover el cuerpo) . La fór­
mula de esta energía potencial es Ep=m⋅g⋅h
Otro caso de energía potencial es la elástica que posee un muelle contraído o un arco tensado o las
rocas comprimidas, cuando esta energía se libere producirá un terremoto.
• Energía cinética, la que desarrolla un cuerpo cuando se está moviendo. Su fórmula es
1
2
Ec= m⋅v
2
La suma Ep + Ec se llama energía mecánica (Em) y es constante durante el proceso.
Por ejemplo, un cuerpo situado sobre un armario tiene Ep por su altura y Ec=0; La Em= Ep + 0.
A medida que cae va perdiendo Ep y ganando Ec de forma que la suma de ambas no cambia. Cuan­
do llega al suelo toda la Em = 0 + Ec.
Otra forma de clasificar la energía es según el tipo de fuerza que realiza el trabajo, así distinguimos:
• Energía mecánica, vinculada al movimiento de los cuerpos.
• Energía electromagnética; vinculada al movimiento de las cargas eléctricas.
• Energía térmica; vinculada a la agitación de las moléculas (temperatura)
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Energía química; vinculada a las fuerzas que mantienen enlazados a los átomos que forman
las sustancias.
Energía nuclear; es la que mantiene unidos a los protones y neutrones que forman los núcleos
de los átomos.
3 Cambio y conservación
La energía tiene dos propiedades esenciales:
1. La cantidad de energía se conserva en cualquier proceso (La energía no se crea ni se destruye)
2. La energía puede cambiar de unas formas a otras (la energía se transforma)
Por ejemplo, la energía potencial del agua en una presa puede cambiar a cinética cuando cae. La ve­
locidad del agua puede mover una turbina que produce energía eléctrica, la cual puede producir energía
calorífica, lumínica, mecánica al encender una batidora, sonora en un aparato de música, etc. Pero no
olvidemos que en cada transformación hay una pérdida de energía en forma de calor (energía térmica)
que se reparte por el ambiente y no puede usarse en la siguiente transformación.
5 Calor y temperatura
En el habla cotidiana usamos indistintamente calor y temperatura de modo que llegamos a pensar
que son la misma cosa; sin embargo, en Física son dos magnitudes diferentes, aunque estrechamente
relacionadas.
La temperatura es una magnitud que mide la cantidad de energía térmica de una sustancia, es
decir, la cantidad de energía que mantiene a sus átomos en movimiento (si es líquido o gas) o en estado
de vibración (si se trata de un sólido).
La temperatura se mide mediante los termómetros:
El termómetro de mercurio o el de alcohol coloreado se basa en que los cuerpos se dilatan al incre­
mentar su temperatura.
Actualmente se usan 3 escalas termométricas: Celsius o centígrada, Fahrenheit y Kelvin cuyas dife­
rencias se muestran en la siguiente tabla:
Punto de congelación del agua Punto de ebullición del agua Nº de divisiones entre ambos puntos
Celsius
0 ºC
100 ºC
100
Fahrenheit
32 ºF
212
180
Kekvin
273 K
373 K
100
La escala Celsius es la más familiar en nuestro entorno, la escala Fahrenheit es habitual en los pue­
blos británicos, la escala Kelvin es la más usada en Física, de modo que el Kelvin es la unidad de tem­
peratura en el Sistema Internacional de medidas.
El interés científico de la escala Kelvin estriba en que el cero Kelvin es la temperatura a la que los
átomos no tienen ningún tipo de movimiento por lo tanto es realmente la menor temperatura posible,
por ello no existen grados kelvin bajo cero
Conviene recordar las proporciones que nos permiten pasar de una escala a otra:
tF −32 tC
=
• Entre Celsius y Fahrenheit:
9
5
• Entre Celsius y Kelvin: tK =tC +273
Una vez definida la temperatura podemos definir el calor como el proceso de traspaso de energía
entre dos cuerpos que están a distinta temperatura.
El traspaso se hace siempre desde el cuerpo que tiene más temperatura hacia el que tiene menos. El
resultado es que la energía que pierde uno la gana el otro y ambos alcanzan una misma temperatura.
El calor se mide en Julios.
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6 Equivalencia entre calor y trabajo
James Precott Joule determinó a mediados del siglo XIX la equivalencia entre trabajo y calor de­
mostrando que el calor era una forma de energía y que la energía que se transformaba en calor no se
perdía sino que pasaba a otra forma de energía. A partir de sus estudios se pude decir que la energía no
se crea ni se destruye sino que se transforma.
Joule utiliza una unidad de energía llamada caloría, (con minúscula) definida como la cantidad de
calor que hay que dar a 1 gr de agua para que eleve su temperatura 1 ºC. La caloría se simboliza com
“cal”
La caloría es una unidad pequeña aunque el julio es aún menor.
La equivalencia entre julio y caloría es de 1J = 0.24 cal
Para pasar de julios a calorías multiplicamos por 0,24, para pasar de calorías a julios dividimos
entre 0,24
Es costumbre usar la caloría para medir la cantidad de energía química en los alimentos pero, al ser
una unidad muy pequeña, se utiliza un múltiplo, la kilocaloría, que equivale a 1000 cal.
Hasta hace poco se usaba la unidad Caloría (con mayúscula) que equivalía a 1 kcal. El uso de la Cal
se considera engañoso puesto que es fácil confundir con la cal, mil veces más pequeña, de ahí que la
normativa exija que la energía de los alimentos aparezca en kcal o en kjul.
En las siguientes figuras se observan una etiqueta incorrecta y otra correcta
La primera etiqueta expresa la energía de su alimento como de 250 Calorías (es decir 250 kcal) por
cada 100 g de alimento. La gente que no sepa que Cal es realmente kcal puede pensar que ese alimento
no engorda apenas cuando es sólo un poco menos energético que el segundo.
La segunda etiqueta expresa correctamente la energía de su alimento como de 393 kcal por cada
100 g
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