ENERGIA: El término energía (del griego ἐνέργεια enérgeia, «fuerza de acción» o «fuerza de trabajo») tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, surgir, transformar o poner en movimiento. En física, energía se define como la capacidad para realizar un trabajo.1 En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para poder extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico. ENERGÍA MECÁNICA: En física clásica antigua, la ley universal de conservación de la energía que es el fundamento del primer principio de la termodinámica, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el tiempo.2 Eso significa que para multitud de sistemas físicos clásicos, la suma de la energía mecánica, la energía calorífica, la energía electromagnética, y otros tipos de energía potencial es un número constante. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica en función del movimiento de la materia, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella, la energía térmica según su capacidad calorífica, y la energía química según la composición química. TIPOS DE ENERGIA: -EN LA MECÁNICA: que es la combinación o suma de los siguientes tipos: ENERGÍA CINÉTICA: relativa al movimiento. ENERGÍA POTENCIAL: la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo. ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA Y LA ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA: (o energía de deformación, llamada así debido a las deformaciones elásticas). Una onda también es capaz de transmitir energía al desplazarse por un medio elástico. -EN EL ELECTROMAGNETISMO se tiene a la: ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA, que se compone de: ENERGÍA RADIANTE: la energía que poseen las ondas electromagnéticas. ENERGÍA CALÓRICA: la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA (véase potencial eléctrico). ENERGÍA ELÉCTRICA: resultado de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos. -EN LA TERMODINÁMICA están: ENERGÍA INTERNA: que es la suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema. ENERGÍA TÉRMICA: que es la energía liberada en forma de calor. POTENCIAL TERMODINÁMICA: la energía relacionada con las variables de estado. -EN LA RELATIVIDAD están: ENERGÍA EN REPOSO: que es la energía debida a la masa según la conocida fórmula de Einstein, E=mc2, que establece la equivalencia entre masa y energía. ENERGÍA DE DESINTEGRACIÓN: que es la diferencia de energía en reposo entre las partículas iniciales y finales de una desintegración. ENERGÍA POTENCIAL: Es la energía que se le puede asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de su posición o de su configuración. Si en una región del espacio existe un campo de fuerzas conservativo, la energía potencial del campo en el punto (A) se define como el trabajo requerido para mover una masa desde un punto de referencia (nivel de tierra) hasta el punto (A). Por definición el nivel de tierra tiene energía potencial nula. Algunos tipos de energía potencial que aparecen en diversos contextos de la física son: LA ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA: asociada a la posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (en el contexto de la mecánica clásica). La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio constante viene dada por: EP = mgh, donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de energía potencial. LA ENERGÍA POTENCIAL ELECTROSTÁTICA: V de un sistema se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación: Siendo el valor del campo eléctrico. La energía potencial elástica asociada al campo de tensiones de un cuerpo deformable. La energía potencial puede definirse solamente cuando existe un campo de fuerzas que es conservativa, es decir, que cumpla con alguna de las siguientes propiedades: -El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos es independiente del camino recorrido. -El trabajo realizado por la fuerza para cualquier camino cerrado es nulo. Cuando el rotor de F es cero (sobre cualquier dominio simplemente conexo). Se puede demostrar que todas las propiedades son equivalentes (es decir que cualquiera de ellas implica la otra). En estas condiciones, la energía potencial en un punto arbitrario se define como la diferencia de energía que tiene una partícula en el punto arbitrario y otro punto fijo llamado «potencial cero». ENERGÍA CINÉTICA DE UNA MASA PUNTUAL La energía cinética es un concepto fundamental de la física que aparece tanto en mecánica clásica, como mecánica relativista y mecánica cuántica. La energía cinética es una magnitud escalar asociada al movimiento de cada una de las partículas del sistema. Su expresión varía ligeramente de una teoría física a otra. Esta energía se suele designar como K, T o Ec. El límite clásico de la energía cinética de un cuerpo rígido que se desplaza a una velocidad v viene dado por la expresión: Una propiedad interesante es que esta magnitud es extensiva por lo que la energía de un sistema puede expresarse como «suma» de las energías de partes disjuntas del sistema. Así por ejemplo puesto que los cuerpos están formados de partículas, se puede conocer su energía sumando las energías individuales de cada partícula del cuerpo. MAGNITUDES RELACIONADAS: La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Energía y trabajo son equivalentes y, por tanto, se expresan en las mismas unidades. El calor es una forma de energía, por lo que también hay una equivalencia entre unidades de energía y de calor. La capacidad de realizar un trabajo en una determinada cantidad de tiempo es la potencia. TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA: Para la optimización de recursos y la adaptación a nuestros usos, necesitamos transformar unas formas de energía en otras. Todas ellas se pueden transformar en otra cumpliendo los siguientes principios termodinámicos: -La energía no se crea ni se destruye; solo se transforma. De este modo, la cantidad de energía inicial es igual a la final. -La energía se degrada continuamente hacia una forma de energía de menor calidad (energía térmica). Dicho de otro modo, ninguna transformación se realiza con un 100 % de rendimiento, ya que siempre se producen unas pérdidas de energía térmica no recuperable. El rendimiento de un sistema energético es la relación entre la energía obtenida y la que suministramos al sistema. UNIDADES DE MEDIDA DE ENERGÍA: La unidad de energía definida por el Sistema Internacional de Unidades es el julio, que se define como el trabajo realizado por una fuerza de un newton en un desplazamiento de un metro en la dirección de la fuerza. Es decir, equivale a multiplicar un newton por un metro. Existen muchas otras unidades de energía, algunas de ellas en desuso. Nombre Abreviatura Equivalencia en julios Caloría cal 4,1855 Frigoría fg 4185,5 Termia th 4 185 500 Kilovatio hora kWh 3 600 000 Caloría grande Cal 4185,5 Tonelada equivalente de petróleo Tep 41 840 000 000 Tonelada equivalente de carbón Tec 29 300 000 000 Electronvoltio eV 1,602176462 × 10-19 British Thermal Unit BTU o BTu 1055,05585 Caballo de vapor por hora CVh 3,777154675 × 10-7 Ergio erg 1 × 10-7 Pie por libra (Foot pound) ft × lb 1,35581795 Pie-poundal ft × pdl 4,214011001 × 10-11 ENERGÍA HIDRÁULICA, ENERGÍA HÍDRICA O HIDROENERGÍA: es aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinéticas y potenciales de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Se puede transformar a diferentes escalas. Existen, desde hace siglos, pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río, con una pequeña represa, mueve una rueda de palas y genera un movimiento aplicado generalmente a molinos o batanes. Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas de represas. Generalmente se considera como un tipo de energía renovable puesto que no emite productos contaminantes. Otros consideran que produce un gran impacto ambiental debido a la construcción de las presas, que inundan grandes superficies de terreno y modifican el caudal del río y la calidad del agua. TRABAJO: Es un desplazamiento de su punto de aplicación en la dirección de dicha fuerza. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo. Por consiguiente, se dice que una cierta masa tiene energía cuando esa masa tiene la capacidad de producir un trabajo; además, con esta afirmación se deduce que no hay trabajo sin energía. El trabajo se mide en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES Julio o joule, unidad de trabajo en el SI Kilojulio: 1 kJ = 103 J SISTEMA TÉCNICO DE UNIDADES Kilográmetro o kilopondímetro (kgm) = 1 kilogramo-fuerza x 1 metro = 9,81 Nm SISTEMA CEGESIMAL DE UNIDADES Ergio: 1 erg = 10-7 J SISTEMA ANGLOSAJÓN DE UNIDADES Termia inglesa (th), 105 BTU BTU, unidad básica de trabajo de este sistema SISTEMA ANGLOSAJÓN Pie-libra fuerza (foot-pound) (ft-lb) OTRAS UNIDADES kilovatio-hora Caloría termoquímica (calTQ) Termia EEC. Atmósfera-litro (atm·L) PRINCIPIO DE PASCAL El funcionamiento de la prensa hidráulica ilustra el principio de Pascal, En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico-matemático francés Blaise Pascal (16231662) que se resume en la frase: La presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido. Esta afirmando que toda presión ejercida hacia un fluido, se propagará sobre toda la sustancia de manera uniforme. El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión. También podemos observar aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidráulicas, en los elevadores hidráulicos, en los frenos hidráulicos, en los puentes hidráulicos y en los gatos hidráulicos. PRENSA HIDRÁULICA: La prensa hidráulica es una máquina compleja que permite amplificar las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas hidráulicas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos. La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el émbolo de menor sección A1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma casi instantánea a todo el resto del líquido. Por el principio de Pascal esta presión será igual a la presión p2 que ejerce el fluido en la sección A2, es decir: Con lo que las fuerzas serán: Con A1 < A2. Por tanto, la relación entre la fuerza resultante en el émbolo grande cuando se aplica una fuerza menor en el émbolo pequeño será tanto mayor cuanto mayor sea la relación entre las secciones: Cálculo de la relación de fuerzas Cuando se aplica una fuerza F1 sobre el émbolo de menor área A1 se genera una presión : Del mismo modo en el segundo émbolo: Se observa que el líquido está comunicado, luego por el principio de Pascal, la presión en los dos pistones es la misma. Por tanto se cumple que: Esto es: Luego, la fuerza resultante de la prensa hidráulica es: Donde: PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES: El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado. La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en las figuras: 1) El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido. 2) La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. PORCIÓN DE FLUIDO EN EQUILIBRIO CON EL RESTO DEL FLUIDO. Consideremos, en primer lugar, las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto de fluido. La fuerza que ejerce la presión del fluido sobre la superficie de separación es igual a p·dS, donde p solamente depende de la profundidad y dS es un elemento de superficie. Puesto que la porción de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión se debe anular con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la denominamos empuje y su punto de aplicación es el centro de masa de la porción de fluido, denominado centro de empuje. De este modo, para una porción de fluido en equilibrio con el resto, se cumple Empuje=peso=rf·gV El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido rf por la aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V. SE SUSTITUYE LA PORCIÓN DE FLUIDO POR UN CUERPO SÓLIDO DE LA MISMA FORMA Y DIMENSIONES. Si sustituimos la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Las fuerzas debidas a la presión no cambian, por tanto, su resultante que hemos denominado empuje es la misma y actúa en el mismo punto, denominado centro de empuje. Lo que cambia es el peso del cuerpo sólido y su punto de aplicación que es el centro de masa, que puede o no coincidir con el centro de empuje. Por tanto, sobre el cuerpo actúan dos fuerzas: el empuje y el peso del cuerpo, que no tienen en principio el mismo valor ni están aplicadas en el mismo punto. En los casos más simples, supondremos que el sólido y el fluido son homogéneos y por tanto, coinciden el centro de masa del cuerpo con el centro de empuje. EJEMPLO: Supongamos un cuerpo sumergido de densidad ρ rodeado por un fluido de densidad ρf. El área de la base del cuerpo es A y su altura h. La presión debida al fluido sobre la base superior es p1= ρfgx, y la presión debida al fluido en la base inferior es p2= ρfg(x+h). La presión sobre la superficie lateral es variable y depende de la altura, está comprendida entre p1 y p2. Las fuerzas debidas a la presión del fluido sobre la superficie lateral se anulan. Las otras fuerzas sobre el cuerpo son las siguientes: -Peso del cuerpo, mg -Fuerza debida a la presión sobre la base superior, p1·A -Fuerza debida a la presión sobre la base inferior, p2·A En el equilibrio tendremos que mg+p1·A= p2·A mg+ρfgx·A= ρfg(x+h)·A o bien, mg=ρfh·Ag Como la presión en la cara inferior del cuerpo p2 es mayor que la presión en la cara superior p1, la diferencia es ρfgh. El resultado es una fuerza hacia arriba ρfgh·A sobre el cuerpo debida al fluido que le rodea. Como vemos, la fuerza de empuje tiene su origen en la diferencia de presión entre la parte superior y la parte inferior del cuerpo sumergido en el fluido. Con esta explicación surge un problema interesante y debatido. Supongamos que un cuerpo de base plana (cilíndrico o en forma de paralelepípedo) cuya densidad es mayor que la del fluido, descansa en el fondo del recipiente. Si no hay fluido entre el cuerpo y el fondo del recipiente ¿desaparece la fuerza de empuje?, tal como se muestra en la figura Si se llena un recipiente con agua y se coloca un cuerpo en el fondo, el cuerpo quedaría en reposo sujeto por su propio peso mg y la fuerza p1A que ejerce la columna de fluido situada por encima del cuerpo, incluso si la densidad del cuerpo fuese menor que la del fluido. La experiencia demuestra que el cuerpo flota y llega a la superficie. El principio de Arquímedes sigue siendo aplicable en todos los casos y se enuncia en muchos textos de Física del siguiente modo: Cuando un cuerpo está parcialmente o totalmente sumergido en el fluido que le rodea, una fuerza de empuje actúa sobre el cuerpo. Dicha fuerza tiene dirección hacia arriba y su magnitud es igual al peso del fluido que ha sido desalojado por el cuerpo. PRINCIPIO DE BERNOULLI: En dinámica de fluidos, el principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli, describe el comportamiento de un líquido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. Aunque Bernoulli dedujo que la presión disminuye cuando aumenta la velocidad del flujo, fue Leonhard Euler, quien derivó la ecuación de Bernoulli en su forma habitual en 1752. El principio solo es aplicable a los flujos isentrópicos, es decir, cuando los efectos de los procesos irreversibles, como la turbulencia y los procesos no adiabáticos, como la radiación de calor, son pequeños y pueden despreciarse. ECUACIÓN DE FLUJO INCOMPRESIBLE: En la mayoría de los flujos de líquidos y de gases con un número de Mach bajo, la densidad de una parcela de fluido puede considerarse constante, independientemente de las variaciones de presión en el flujo. Por lo tanto, se puede considerar que el fluido es incompresible y estos flujos se denominan flujos incompresibles. Bernoulli realizó sus experimentos con líquidos, por lo que su ecuación en su forma original es válida solo para flujo incompresible. La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes: cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido;| potencial o gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea; energía de presión: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee. La siguiente ecuación conocida como "ecuación de Bernoulli", consta de estos mismos términos. Donde: v = velocidad del fluido en la sección considerada. ρ = densidad del fluido. P = presión a lo largo de la línea de corriente. g = aceleración gravitatoria. z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia. Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:3(p265) VISCOSIDAD (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido. CAUDAL constante. Flujo incompresible, donde ρ es constante. La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo laminar. Aunque el nombre de la ecuación se debe a Bernoulli, la forma arriba expuesta fue presentada en primer lugar por Leonhard Euler.
