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FÍSICA Y QUÍMICA | Versión impresa
TRABAJO Y ENERGÍA
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TRABAJO
El trabajo realizado por una fuerza que actúa sobre un cuerpo se puede calcular multiplicando el valor de la fuerza (F), expresada en newtons, por la distancia que recorre el
cuerpo (Δx), expresada en metros, y por el coseno del ángulo que forman la fuerza y el
desplazamiento (α).
W = F · Δx · cos α
La unidad de medida del trabajo en el Sistema Internacional es el julio (J), que corresponde a N · m.
Condiciones para que una fuerza haga trabajo
• Es necesario que haya una fuerza que haga que el cuerpo sobre el que se aplica se
desplace a cierta distancia.
• El ángulo que forman la fuerza y el desplazamiento no debe ser de 90º (perpendiculares), ya que el coseno de este ángulo es 0 y, en consecuencia, el trabajo correspondiente es nulo.
Cuando una fuerza efectúa un trabajo sobre un cuerpo, éste adquiere una cantidad de
energía equivalente al trabajo realizado.
Esta energía adquirida es la energía mecánica, que adopta diferentes formas en función
de cómo se realiza el trabajo.
Dos de estas posibles formas son la energía potencial y la energía cinética.
Potencia de una fuerza
Se define la potencia de una fuerza como la relación entre el trabajo desarrollado y el
tiempo invertido en realizarlo:
W
P=
t
La potencia se expresa en el Sistema Internacional en vatios (W). Otra unidad muy utilizada, sobre todo en el mundo automovilístico, es el caballo de vapor (CV). La relación
entre ambas es: 1 CV = 736 W.
Si se trata de un movimiento rectilíneo uniforme (MRU), y la fuerza y el desplazamiento
son paralelos, la potencia puede expresarse como el producto de la fuerza por la velocidad: P = F · v.
ENERGÍA
Podemos definir la energía como la capacidad que tienen los cuerpos para efectuar transformaciones en ellos mismos, o bien en otros cuerpos, es decir, de hacer un trabajo.
Si observáis a vuestro alrededor, veréis que los cuerpos experimentan una gran variedad de transformaciones, y que, por tanto, hay diferentes tipos de energía.
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Los dos tipos fundamentales de energía son:
• La energía cinética, asociada a la velocidad de un cuerpo.
• La energía potencial gravitacional, asociada a la altura de un cuerpo respecto al
suelo.
Como la energía es la capacidad de realizar un trabajo, se mide también en julios (J).
Formas de energía
La energía cinética (Ec)
Es la energía que tienen los cuerpos que se desplazan a cierta velocidad.
Cuando chutáis una pelota, el pie ejerce una fuerza sobre ésta, y, por tanto, un trabajo que hace variar su
velocidad y le da energía cinética.
Esta energía se calcula a partir de la expresión:
1
E c = mv2
2
Recordad que la masa se debe expresar en kilogramos y la velocidad en m/s para que la energía se exprese
en julios (J).
Observad que la energía cinética es proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad.
Así, por ejemplo, si tenemos dos cuerpos con la misma masa y uno viaja al doble de velocidad que el otro,
su energía no será el doble, sino el cuádruple.
La energía potencial gravitacional (Ep)
Es la energía que tiene un cuerpo cuando se encuentra a cierta altura. Es consecuencia de
la gravedad terrestre y de la fuerza que nuestro planeta ejerce sobre los cuerpos.
Al levantar un libro y colocarlo en una estantería superior, se hace un trabajo que no provoca un aumento
de la velocidad, sino una ganancia de altura, una ganancia de energía potencial.
La energía potencial se calcula a partir de la expresión:
Ep= m · g · h
Recordad que la masa se debe expresar en kilogramos, la altura en metros, y la gravedad terrestre con el valor
g = 9,8 m/s2. Con estas unidades del Sistema Internacional, la energía se expresará en julios (J).
La energía potencial elástica (Ek)
Los muelles son mecanismos que permiten almacenar un tipo de energía llamada energía elástica.
Cada muelle se caracteriza por una constante K (constante de Hooke), que da una idea
de la rigidez del muelle.
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Si comprimimos o alargamos un muelle de constante K a una distancia x respecto a su
posición de equilibrio, la energía elástica almacenada viene dada por la expresión:
1
E k = K x2
2
La energía elástica del muelle se puede transformar en altura y en velocidad, es decir, en
energía potencial y energía cinética.
La energía mecánica (EM)
Es la suma de las energías cinética y potencial de un cuerpo:
EM = Ec + Ep
Cuando hablamos de la energía de un cuerpo, nos referimos siempre a su energía mecánica, es decir, a la
suma de todas sus energías.
A veces la energía mecánica de un cuerpo puede estar compuesta únicamente por una
de estas fuentes de energía.
Cuando esta energía mecánica se transforma, significa que alguna fuerza está realizando trabajo.
Principio de conservación de la energía mecánica
Uno de los principios más importantes de la física es el de la conservación de la energía
mecánica.
Si no hay fuerza de fricción y la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo
es su peso, su energía mecánica se mantiene constante en todos los puntos de su
trayectoria.
En cambio, la energía cinética y la energía potencial pueden variar de un punto a otro,
pero siempre de tal manera que la suma de las dos y, por tanto, la energía mecánica, se
mantenga constante a lo largo de toda la trayectoria.
Así, por ejemplo, al lanzar desde el suelo una piedra verticalmente, su energía mecánica inicial es únicamente cinética, porque se encuentra a una altura nula. A medida que asciende va perdiendo velocidad (y
energía cinética) pero va ganando altura (y energía potencial), aunque la suma de ambas se mantiene
constante.
Cuando llega al punto de máxima altura, su velocidad es nula, igual que su energía cinética. En cambio,
ahora la energía potencial es máxima e igual a la energía mecánica.
Resumiendo: la energía cinética inicial se ha transformado en potencial, pero la energía mecánica se ha
mantenido constante en todos los puntos de la trayectoria.
La degradación de la energía
Cuando hay fuerzas de rozamiento con el suelo o con el aire, la energía mecánica no
se mantiene constante.
Parte de la energía mecánica inicial del cuerpo se invierte en vencer a las fuerzas de
rozamiento, y parte de la energía se disipa en forma de calor.
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Es lo que sucede en nuestra vida cotidiana, y por ese motivo los cuerpos tienden siempre a detenerse.
La energía de los pequeños meteoritos al entrar en la atmósfera terrestre es muy elevada, pero cuando
llegan a la superficie es imperceptible.
Casi toda la energía inicial se transforma en calor por el rozamiento con los gases de la atmósfera.
La energía que se convierte en calor es tan grande que los meteoritos acaban deshaciéndose en trozos
diminutos a medida que avanzan hacia el interior de la atmósfera.
El trabajo de la fuerza de fricción es la causa de la disipación de la energía mecánica de
un cuerpo:
ΔE = Wfr
CALOR Y TEMPERATURA
Muchas veces la energía de los cuerpos no se manifiesta en forma de trabajo, sino de
calor.
Cuando un cuerpo está caliente, se puede decir que tiene energía calorífica o interna
y que es proporcional a su temperatura.
Cuando esta energía calorífica fluye de un cuerpo a otro se llama calor.
Como cualquier otra forma de energía, en el Sistema Internacional el calor se mide en
julios, aunque muy a menudo también se expresa en calorías. La equivalencia entre
ambas unidades es: 1 cal = 4.184 J.
El intercambio de calor entre los cuerpos provoca tres efectos:
• Variación de la temperatura
• Dilatación o contracción
• Cambios de estado
Variación de la temperatura
Cuando un cuerpo absorbe calor, gana energía y su temperatura aumenta. En cambio,
cuando un cuerpo cede calor, pierde energía y su temperatura disminuye.
El calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío, hasta que se
igualan las temperaturas.
Entonces deja de circular calor y se dice que los cuerpos están en equilibrio térmico.
Dilatación de los cuerpos
Cuando un cuerpo se calienta, su energía calorífica aumenta y el cuerpo se dilata, aumenta de volumen.
En cambio cuando un cuerpo se enfría, se contrae y su volumen disminuye.
El caso del agua es la excepción. Al disminuir su energía calorífica y pasar de líquido a sólido, se dilata en
lugar de contraerse.
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La dilatación térmica es un fenómeno muy frecuente en la vida cotidiana.
Los ingenieros deben tenerlo en cuenta a la hora de instalar vigas metálicas, dejando espacios entre éstas.
Es lo que se conoce como juntas de dilatación.
No todos los cuerpos se dilatan de la misma manera al aumentar su temperatura. Los
gases son los que mejor se dilatan, seguidos de los líquidos y de los sólidos.
Hay sólidos que se dilatan muy bien, como los metales, y otros que lo hacen muy mal,
como el vidrio, que se rompe al calentarse.
Como los gases se dilatan muy fácilmente, sus moléculas adquieren mucha velocidad, y por eso se deben
contener en envases de paredes rígidas.
En efecto, estas moléculas rápidas chocan con mucha fuerza contra las paredes del envase que las contiene, y si no fuesen lo suficientemente rígidas, las acabarían rompiendo.
Observad el grosor de las bombonas de butano, o de los aerosoles de laca o de insecticida.
Cambios de estado
Si calentamos un cuerpo podemos conseguir que cambie de estado, es decir, que pase
de sólido a líquido, o de líquido a gas.
Si lo enfriamos podemos conseguir el cambio de estado inverso: el paso de gas a líquido
o de líquido a sólido. A cada sustancia hay que administrarle una energía determinada
para que cambie de estado.
El calor específico
El calor específico es la cantidad de calor (Q) necesaria para que una unidad de masa de
una determinada sustancia aumente en 1 ºC su temperatura.
El calor específico se expresa en unidades del Sistema Internacional en J·kg-1·K-1.
La cantidad de calor absorbido o emitido por un objeto, la variación de su energía, su
masa y su calor específico están relacionados a través de la ecuación:
Q = m · Ce (Tf – Ti )
Ti y Tf son las temperaturas inicial y final, respectivamente.
El calor específico depende del proceso por el cual una determinada sustancia adquiere
o transmite calor (principalmente la temperatura, la presión y el volumen).
Teoría cinético-molecular
Temperatura
Los cuerpos están formados por moléculas.
La energía calorífica que recibe un cuerpo se transmite a estas moléculas en forma de
energía cinética. A más energía calorífica de un cuerpo, más rápido es el movimiento de
sus moléculas.
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Sabemos que la temperatura es directamente proporcional a la energía calorífica del
cuerpo. Por tanto, cuanto más alta es la temperatura de un cuerpo, más rápidamente se
mueven sus moléculas.
Sólo cuando la temperatura es de 0 K (–273 ºC), las moléculas se paralizan completamente. La temperatura no puede estar nunca por debajo de este valor, conocido como
el cero absoluto.
El lugar más remoto del Universo se encuentra a una temperatura de 2 K (–271 ºC), y el más cálido se encuentra en el interior de las estrellas, donde la temperatura puede llegar a más de 12.000 K.
En la Tierra, la temperatura más baja se ha registrado en la Antártida, por debajo de los –90 ºC, y la más
alta, en el desierto de Libia, con valores cercanos a los 60 ºC.
Estados de la materia
• En los sólidos el movimiento molecular es de vibración alrededor de la posición de
equilibrio. A más temperatura la vibración es más energética, pero las moléculas ocupan siempre una distribución ordenada. Las fuerzas de atracción entre las moléculas
son intensas.
• En los líquidos el movimiento molecular es de vibración muy energética, y las moléculas ya no ocupan una posición ordenada. Las fuerzas de atracción se debilitan más
y más a medida que la temperatura aumenta.
• En los gases se rompen las fuerzas de atracción molecular y el movimiento es de traslación. Las moléculas quedan libres.
Medida de la temperatura: termómetros
Los termómetros miden la temperatura de un cuerpo. Se basan en la dilatación de un
líquido, generalmente mercurio o alcohol.
Constan de un tubo muy estrecho de vidrio, llamado capilar, cerrado en su parte superior
y acabado con un pequeño depósito de líquido (mercurio o alcohol) en su parte inferior.
Cuando el mercurio o el alcohol se calientan, se dilatan y suben por el capilar.
Cuando se enfrían, se contraen y descienden por el capilar.
Cuando alcanzan el equilibrio térmico, la columna de alcohol o mercurio se detiene a
una determinada altura. Paralelamente a la columna del líquido, hay una escala que
indica la temperatura.
Existen diferentes escalas para medir la temperatura, pero las más utilizadas son la escala Celsius y la escala absoluta o Kelvin.
La escala Celsius fija el 0 en la temperatura de congelación del agua, y el valor 100, en el
de ebullición. Dividiendo entre 100 la distancia que separa la columna del líquido entre
estos dos valores se define el grado Celsius.
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Para pasar de la escala Celsius a la Kelvin, debéis aplicar la siguiente relación:
T (ºC) = T (K) – 273
Recordad que la escala Kelvin empieza en 0 K.
Propagación del calor
No todos los cuerpos son capaces de transmitir el calor de la misma manera. Los que
tienen facilidad para transferirla y lo hacen rápidamente se denominan conductores
térmicos, mientras que los que no tienen facilidad y lo hacen lentamente se denominan
aislantes.
Los metales acostumbran a ser buenos conductores, mientras que la madera, el aire, el agua, el vidrio y el
plástico son malos conductores.
Los materiales conductores transmiten fácil y rápidamente el calor de un cuerpo a otro,
o de un medio a otro.
Hay tres formas de transmisión del calor: conducción, convención y radiación. En general, la propagación del calor se puede producir por la combinación de estos tres mecanismos.
Transmisión por conducción
En la conducción el calor se transmite por contacto. Es un tipo de transmisión característico de los cuerpos sólidos y es necesario que el cuerpo sea buen conductor térmico.
Cuando el extremo de un conductor térmico, un metal, toca una fuente de calor, el calor
se transmite a lo largo del conductor, más allá del punto de contacto. Sucede así porque
las partículas del metal más próximas a la fuente de calor empiezan a vibrar cada vez
más rápidamente. Este movimiento se transmite a las moléculas cercanas, hasta que
todas ellas vibran con la misma intensidad.
Transmisión por convección
Los líquidos y los gases transmiten el calor mediante este mecanismo. Las partículas
de los líquidos y los gases que están en contacto con una fuente de calor aumentan de
velocidad.
En esa zona el líquido o el gas se expanden y disminuye su densidad. Esta expansión
deja un vacío que el líquido o el gas más alejado de la fuente de calor, que está más frío,
reemplaza rápidamente.
De esta forma se crean unas corrientes que transportan el calor hacia las zonas más frías,
denominadas corrientes de convección.
La convección es la forma con que el calor se propaga a la atmósfera terrestre. El Sol calienta la superficie
terrestre, y ésta calienta la capa de aire en contacto con ella. Este aire se expande y se eleva, de manera que
deja un agujero de aire, que se rellena con aire más frío.
Este proceso hace mover el aire, tanto en dirección vertical como en dirección horizontal, y provoca la formación de las nubes y del viento, respectivamente.
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Transmisión por radiación
Todos los cuerpos por encima de 0 K (es decir, –273 ºC) desprenden energía en forma de
radiación; es lo que se conoce como radiación térmica.
Sin embargo, nuestros sentidos son capaces de percibir esta energía únicamente cuando están muy calientes.
Cuando el calor emitido por radiación de un cuerpo llega a otro cuerpo, lo calienta. Esta
radiación puede viajar por el aire e, incluso, por el espacio vacío.
FUENTES DE ENERGÍA
El desarrollo de la humanidad está vinculado al descubrimiento y al uso de los diferentes tipos de energía, que han permitido la mejora de las condiciones de vida de nuestra
sociedad en muchos ámbitos como, por ejemplo, la vivienda, la alimentación, la salud,
la cultura, el trabajo, etc.
Cada tipo de energía tiene como base una materia que la genera: la fuente de energía.
Combustibles fósiles
Los llamados combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo) son las principales fuentes
de energía en nuestra sociedad.
Quemando los combustibles fósiles en las centrales térmicas se consigue crear vapor de
agua, que mueve enormes dinamos que generan electricidad. También se utilizan como
combustibles de la mayoría de medios de transporte.
Pero estos materiales se agotan y emiten gases contaminantes que provocan un efecto
invernadero cuando se queman.
Por eso los científicos están desarrollando otras formas de obtener energía a partir de
fuentes limpias y renovables.
Cada año los habitantes del planeta consumimos los combustibles fósiles que a la naturaleza le costó un
millón de años generar como depósito geológico.
Energía nuclear
La energía nuclear se basa en la fisión atómica, que consiste en la rotura de un núcleo
atómico, generalmente de uranio.
En esta rotura se libera gran cantidad de energía, que se aprovecha para producir vapor
de agua para mover una gran dinamo.
Las centrales nucleares no emiten a la atmósfera los gases contaminantes de otras fuentes, como el carbón, el petróleo o el gas, pero generan residuos radiactivos que deben
almacenarse en lugares seguros durante miles de años.
Estos residuos son muy peligrosos para los seres vivos; los accidentes o las fugas radiactivas son fatales.
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Energías renovables
Las energías renovables son una alternativa a los combustibles fósiles y a la energía
nuclear.
Sus fuentes de energía son prácticamente inagotables, ya que se encuentran de forma
casi ilimitada en la naturaleza.
Bajo el nombre genérico de energías renovables se incluyen diversas formas de energía:
solar, eólica, mareomotriz, geotérmica, etc.
Energía solar
La energía solar se utiliza para generar electricidad y calentar agua para uso doméstico.
Los paneles solares permiten recoger la radiación procedente del Sol. Hay de dos tipos:
las placas fotovoltaicas y los colectores solares.
• Las placas fotovoltaicas sirven para producir electricidad. Cuando los rayos solares
inciden en ella generan un movimiento de electrones en su interior, de manera que
aparece corriente eléctrica.
Los huertos solares son extensiones de terreno donde hay centenares de placas solares que generan electricidad. En zonas desérticas y con muchas horas de Sol son cada vez más frecuentes.
• Los colectores solares se utilizan para calentar agua sin tener que quemar gas en las
calderas. La energía solar calienta el agua que circula por estos paneles, y ésta se va
acumulando en depósitos aislados térmicamente.
Esta manera de calentar el agua sanitaria de las casas es cada vez más frecuente en nuestro país.
Energía eólica
La energía eólica produce electricidad por el movimiento que el viento genera en las
aspas de grandes dinamos, llamadas aerogeneradores.
Los parques eólicos están cada vez más presentes en aquellas zonas ventosas de nuestro
entorno.
Energía geotérmica
La energía geotérmica aprovecha la energía calorífica del interior de la Tierra.
Es muy limpia y eficaz, pero únicamente se puede obtener en determinados lugares del
planeta, como Islandia.
Energía mareomotriz
La energía mareomotriz aprovecha la energía cinética del agua del mar en su ciclo de
subida y bajada, como consecuencia de las mareas.
Sin embargo, este tipo de energía no se da en todo el mundo. En el Mediterráneo, por
ejemplo, las mareas son prácticamente inapreciables.
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Fuentes
Definición
Ejemplos
Renovables
Son aquellas prácticamente inagotables que se encuentran de forma casi
ilimitada en la naturaleza.
• Solar
• Eólica
• Mareomotriz
• Geotérmica
• Carbón
No renovables
• Petróleo
No son ilimitadas y se pueden
agotar.
• Gas
• Energía nuclear
Tabla1. Tipos de fuentes de energía:
Consumo total 11.435 Mtep
Carbón
25,3%
Gas natural
20,7%
Petróleo
35,0%
Combustibles
renovables
y residuos
10,0%
Nuclear
6,3%
Otros
0,5%
Hidroeléctrica
2,2%
Figura 1. Porcentaje de uso de las principales fuentes energéticas en el mundo
Ahorro energético
Las fuentes de energía no renovables tarde o temprano se acabarán agotando.
Para reducir los efectos perjudiciales de los combustibles fósiles y alargar al máximo sus
reservas, es necesario ahorrar energía.
Algunas de estas medidas podéis aplicarlas en vuestra vida diaria, y son tan sencillas
como:
• Apagar las luces y los electrodomésticos que no sean necesarios.
• Moderar el consumo de la calefacción en invierno y del aire acondicionado en verano.
• Comprar aquellos productos con menos envoltura de plástico.
• Desplazarse siempre que se pueda en transporte público.
• Envolver el bocadillo con papel en lugar de utilizar papel de aluminio.
• Reciclar los residuos que se generen.
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