CINÉTICA
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CINÉTICA asociada al movimiento. POTENCIAL asociada a la posición. QUÍMICA alimentos y combustibles. RADIANTE suministrada por la luz. 10. Transferencia de energía: trabajo. Física y Química 4.º ESO. 1. Los sistemas físicos tienen energía.

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Transferencia de energía: trabajo

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Transferencia de energ a trabajo

CINÉTICA

asociada al movimiento

POTENCIAL

asociada a la posición

QUÍMICA

alimentos y combustibles

RADIANTE

suministrada por la luz

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

1

Los sistemas físicos tienen energía

Se denomina sistema físico a cualquier parte del universo que se puede elegir de forma individualizada como objeto de estudio

Los procesos de cambio en la naturaleza necesitan energía, la cual se presenta de diversas formas

NUCLEAR

LUMINOSA

SONORA

ELÉCTRICA

La energía es una propiedad de los cuerpos y sistemas físicos que les permite experimentar cambios. Puede presentar diversas formas y transformarse de una a otra


Transferencia de energ a trabajo

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

2

Características de la energía

puede transferirse de unos sistemas a otros

se conserva

LA ENERGÍA

se degrada

puede ser almacenada y transportada

Un sistema físico que no intercambia energía con ninguno de los sistemas físicos que lo rodean se denomina sistema aislado


Transferencia de energ a trabajo

TRABAJO

CALOR

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

3

Formas de transferir la energía

Las transferencias de energía entre sistemas se pueden llevar a cabo mediante dos formas posibles que permiten medir las variaciones de energía en los sistemas que interaccionan

es un método de transferencia energética entre sistemas donde intervienen fuerzas que provocan desplazamientos

es un método de transferencia energética entre sistemas por el solo hecho de una diferencia de temperaturas entre ellos

La unidad de energía en el Sistema Internacional es el julio (J)


Transferencia de energ a trabajo

CINÉTICA

1

Ec = mv2

2

POTENCIAL

Ec = mgh

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

4

La energía mecánica

Se denomina energía mecánica de un cuerpo a la que posee en virtud de su velocidad o de su posición, magnitudes que definen el estado mecánico de un cuerpo. Puede ser cinética, potencial o la suma de ambas

Es la energía debida al movimiento de un cuerpo y depende de su masa (m) y su velocidad (v)

Es la energía debida a las posiciones relativas que ocupan las partículas. Respecto al centro de la Tierra se llama energía potencial gravitatoria y depende de la masa (m) y de la altura (h)

La energía potencial gravitatoria depende siempre del punto de referencia respecto del cual se miden las alturas

ΔEp = Epf – Epi = mghf – mghi = mg(hf – hi) = mgΔh


Transferencia de energ a trabajo

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

5

El trabajo como forma de transferir energía

El valor del trabajo T realizado por la fuerza F sobre un cuerpo se puede calcular con el producto del módulo de la fuerza por el desplazamiento e de su punto de aplicación

El trabajo de una fuerza sobre un cuerpo puede ser

  • Positivo o trabajo motor, cuando se incrementa la energía del cuerpo

  • Nulo, cuando la fuerza es perpendicular a la dirección del desplazamiento

  • Negativo o trabajo resistente, cuando la energía del cuerpo disminuye

El trabajo realizado por una fuerza sobre un sistema es una forma de variar la energía del mismo, así pues, la energía y el trabajo se miden en las mismas unidades

La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el julio (J)


Transferencia de energ a trabajo

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

6

Trabajo y energía potencial

Para elevar un cuerpo de masa m desde una altura ho hasta una altura h se precisa aplicar una fuerza mg que equilibre el peso del cuerpo y desplazar el punto de aplicación de la fuerza a lo largo de la distancia h–ho

El trabajo realizado por el cuerpo será

T = mg(h – ho)

El trabajo se ha invertido en incrementar la energía potencial gravitatoria del cuerpo

T = mgh – mgho = Epfinal – Epinicial = Ep

El trabajo realizado al elevar un cuerpo es igual al incremento de su energía potencial gravitatoria


Transferencia de energ a trabajo

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

7

Trabajo y energía cinética

Si sobre un cuerpo que se mueve con una velocidad vo se aplica una fuerza neta constante F a lo largo de una distancia e, la velocidad final v del móvilse expresa según

v2 – vo2 = 2ae (a = aceleración del cuerpo)

½ mv2 – ½mvo2 = mae

De acuerdo con el 2º principio de la dinámica: F = ma

½ mv2 – ½mvo2 = Fe = T = Ec

El valor del trabajo realizado por una fuerza neta constante sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética


Transferencia de energ a trabajo

EMT = EC + EP

multiplicando por m

1

1

1

1

1

mv22 – mv12 = mgh1 – mgh2

2

2

2

2

2

mv12 + mgh1 = mv22 + mgh2

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

8

Principio de conservación de la energía mecánica (I)

La energía mecánicatotal (EMT) de un cuerpo es la suma de su energíacinética y de su energíapotencial

Si no hay fuerzas de rozamiento, la EMT de un cuerpo se mantiene constante

Por ejemplo: si un cuerpo de masa m se encuentra a una altura h1con una velocidad v1dirigida hacia abajo, y al cabo de cierto tiempo se encuentraa una altura h2con una velocidad v2también hacia abajo, se tiene según las ecuaciones del m.r.u.a

v22 – v12 = 2g(h1– h2) (g = gravedad)

y reagrupando términos

EC1 + EP1 = EC2 + EP2 = EMT


Transferencia de energ a trabajo

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

9

Principio de conservación de la energía mecánica (II)

En ausencia de rozamiento, la energía mecánica de un cuerpo se conserva, pero si hay rozamientos, parte de la energía se disipa caloríficamente

La bola disipa energía mecánica por rozamiento y termina parándose


Transferencia de energ a trabajo

LA POTENCIA

E

T

P =

=

t

t

1 J

1 W =

1 s

1 kW = 1000 W

Otras unidades de potencia son

1 MW = 106 W

1 CV = 735 W

1 kWh = 1 kW · 1 h = 1000 J/s · 3600 s = 3,6·106 J

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

10

Rapidez en la transferencia de energía: la potencia

El valor numérico del trabajo realizado por una fuerza es independiente del tiempo empleado en realizarlo, por lo que es conveniente definir una nueva magnitud

Es la energía transferida en cada unidad de tiempo durante una transformación, es decir, el trabajo realizado por unidad de tiempo

La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio (W)

El kilovatio-hora (kWh) es una unidad de energía y de trabajo


Transferencia de energ a trabajo

El trabajo de la fuerza P aplicada a la máquina (potencia) es igual al trabajo de la fuerza R ejercida por ella (resistencia)

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

11

Trabajo en máquinas simples

A las máquinas simples se les suministra energía mediante trabajo, y éstas aplican, a su vez, una fuerza sobre la carga y la desplazan, es decir, también realizan un trabajo

PeP = ReR

eP y eR son los desplazamientos respectivos de los puntos de aplicación de las fuerzas P y R

En una máquina simple, el producto de la fuerza de potencia por su desplazamiento es igual al producto de la fuerza de resistencia por el suyo

Las máquinas simples permiten un empleo más eficaz de las fuerzas

Se puede realizar el mismo trabajo con una fuerza menor siempre que recorra un desplazamiento mayor


Transferencia de energ a trabajo

eP

eR

=

bP

bR

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

12

Intercambios energéticos en la palanca

En una palanca, los desplazamientos de las fuerzas potencia (eP) y resistencia (eR) son proporcionales a sus brazos bP y bR

Como PeP = ReR

=>

PbP = RbR

LEY DE LA PALANCA

El producto de la potencia por su brazo es igual al de la resistencia por el suyo


Transferencia de energ a trabajo

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

13

Intercambios energéticos en la polea

En una polea simple, las fuerzas de potencia y de resistencia y sus desplazamientos son iguales: P = R

En una polea compuesta, para subir un peso R a una altura h hay que tirar de la cuerda una longitud igual al doble de h; por tanto: P2h = Rh

Es decir, para subir una carga hay que aplicar una fuerza igual a la mitad del peso:P = R/2


Transferencia de energ a trabajo

T = mgh

T = FL

FL = mgh

F = mgh/L

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

14

Intercambios energéticos en el plano inclinado

En una plano inclinado, el trabajo necesario para elevar un cuerpo de masa m una altura h es

Si el cuerpo se sube a la misma altura aplicando una fuerza F a lo largo de un plano inclinado de longitud L, el trabajo es


Transferencia de energ a trabajo

T = 2  r m g

T = F 2  L

F = r m g / L

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

15

Intercambios energéticos en el torno

Un torno consta de un cilindro en el que se enrolla una cuerda que sujeta la carga que se quiere elevar, mediante un brazo o manivela se ejerce una fuerza que hace girar el torno

Si r es el radio del cilindro, en cada vuelta el peso mg se eleva una altura 2r; el trabajo realizado es

Si L es la longitud de la manivela sobre la que se ejerce una fuerza F, en cada vuelta el punto de aplicación de esa fuerza se desplaza 2L; el trabajo realizado es

Por tanto:

F 2  L = 2  r m g

Utilizando el plano inclinado y el torno se realiza el mismo trabajo que elevando el peso verticalmente, pero la fuerza F necesaria es menor que el peso


Transferencia de energ a trabajo

El rendimiento de una máquina se calcula con el cociente entre el trabajo útil que proporciona dicha máquina y la energía que se le ha suministrado

Trabajo útil

r =

Energía suministrada

10

Transferencia de energía: trabajo

Física y Química

4.º ESO

16

Rendimiento de las máquinas

Las máquinas no transforman íntegramente en trabajo útil la energía que se les suministra

Trabajo útil < Energía suministrada

La energía disipada mediante calor no se aprovecha como trabajo útil


Transferencia de energ a trabajo

Explica los diferentes estados de agregación

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

17

Teoría cinética de la materia

TEORÍA CINÉTICA

  • La materia está formada por pequeñas partículas que ejercen entre sí fuerzas de atracción y repulsión

  • Las partículas que forman la materia están en continuo movimiento, desordenado y al azar (movimiento térmico)

GASEOSO: las partículas se mueven desordenadamente chocando entre sí y con las paredes del recipiente, mientras que las fuerzas son prácticamente nulas

SÓLIDO: las fuerzas son muy intensas y mantienen a las partículas vibrando en torno a posiciones fijas

LÍQUIDO: se dan condiciones intermedias entre el estado sólido y el gaseoso


Transferencia de energ a trabajo

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

18

La energía interna. Factores de los que depende

Las partículas que forman la materia tienen energía cinética debida a su movimiento térmico y energía potencial debido a sus posiciones relativas

La suma de las energías cinéticas y potencial de todas las partículas que forman un cuerpo, es su energía interna (U)

Depende de:

  • La cantidad de sustancia. A mayor cantidad de sustancia habrá más partículas y la suma de las energías cinéticas y potenciales será mayor

  • El tipo de sustancia. Las energías potenciales de los átomos moléculas o iones que constituyen una sustancia dependen de las posiciones relativas de éstos, y por tanto, la energía interna también lo hará

  • La temperatura. Las variaciones de temperatura suponen variaciones en la velocidad de las partículas y en su movimiento térmico con lo que varía su energía cinética y por tanto, su energía interna

Es imposible conocer el valor exacto de la energía interna; solamente podemos conocer sus variaciones entre dos estados

U = Ufinal – Uinicial


Transferencia de energ a trabajo

2EC

3

T =

EC = kT

3k

2

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

19

Teoría cinética y temperatura

La teoría cinética define el concepto de temperatura a partir de la energía cinética media de las partículas que forman un gas

La presión de un gas se debe a los choques de sus partículas contra las paredes del recipiente que los contiene. Dicha presión es proporcional a la densidad del gas y al cuadrado de la velocidad de sus partículas

p = 1/3 dv2

Presión y temperatura son magnitudes proporcionales a volumen constante. La temperatura es función de la energía cinética media de las partículas

Donde k es la denominada constante de Boltzmann, cuyo valor es

k = 1,38·10–23 J/K


Transferencia de energ a trabajo

Cuando dos cuerpos, a distinta temperatura (T) entran en contacto

del cuerpo que está a mayor T hacia el que está a menor T

Cuando las temperaturas se igualan y cesa la transferencia de energía, se dice que los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico

Las partículas de ambos cuerpos interaccionan mediante choques hasta que todas adquieren la misma energía cinética media

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

20

Equilibrio térmico. Temperatura

Transferencia de energía

La temperatura es la magnitud común a dos cuerpos que están en equilibrio térmico


Transferencia de energ a trabajo

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

21

Medida de la temperatura. Termómetros

Se puede conocer la temperatura de un cuerpo haciendo que alcance el equilibrio térmico con otro de temperatura conocida

TERMÓMETROS

Se construyen utilizando propiedades de los cuerpos que varíen proporcionalmente con la temperatura

La resistencia eléctrica Existen materiales semiconductores cuya resistencia es extremadamente sensible a los cambios de temperatura

La dilatación de las sustancias Las dimensiones de los cuerpos varían con la temperatura

Se calibran tomando como referencia dos sucesos que siempre ocurran a la misma temperatura (puntos fijos): la fusión y la ebullición del agua a 1 atm de presión


Transferencia de energ a trabajo

ESCALA CENTÍGRADA (CELSIUS)

ESCALA FAHRENHEIT

ESCALA KELVIN

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

22

Escalas termométricas

Punto de fusión del agua: 0 ºC

Punto de ebullición del agua: 100 ºC

Punto de fusión del agua: 32 ºF

Punto de ebullición del agua: 212 ºF

ºC/100 = (ºF–32)/180

Punto de fusión del agua: 273 K

Punto de ebullición del agua: 373 K

T (K) = 273 + ºC


Transferencia de energ a trabajo

CONDUCCIÓN: se produce propagación de calor sin desplazamiento de materia

CONVECCIÓN: la transmisión de energía mediante calor se realiza con transporte de materia

RADIACIÓN: es la propagación de energía mediante ondas electromagnéticas

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

23

Mecanismos de transmisión de energía mediante calor

Calor es el proceso de transferencia de energía de un cuerpo a otro como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ellos. Tiene tres posibles mecanismos

Las partículas reciben energía y aumentan su velocidad comunicando a su vez, mediante choques, energía a las que están en su entorno. El proceso se repite por todo el cuerpo produciéndose el aumento de temperatura

Las partículas con mayor temperatura ascienden porque aumenta su volumen y disminuye su densidad. Las partículas con menor temperatura y mayor densidad descienden, ocupando la zona que ha quedado libre. Así, al cabo de cierto tiempo, la temperatura del sistema se hace uniforme

Las ondas electromagnéticas no necesitan ningún medio material para su propagación. Todos los cuerpos por el hecho de estar a una temperatura por encima del cero absoluto radian energía

Cualquier mecanismo tiene por finalidad transmitir energía a los cuerpos que se encuentran a menor temperatura hasta que se produce el equilibrio térmico


Transferencia de energ a trabajo

CALOR (Q)

TRABAJO (T)

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

24

Energía interna de un sistema y su variación

La ENERGÍA INTERNA (U) de un sistema es la suma de las energías cinética y potencial de sus partículas, y varía mediante calor o trabajo

Es el proceso de transmisión de energía entre sistemas que están a diferentes temperaturas hasta alcanzar el equilibrio térmico

Es el proceso de transmisión de energía entre sistemas mediante la aplicación de una fuerza que desplaza su punto de aplicación

U = Ufinal – Uinicial = Q + T

La energía interna de un sistema físico puede aumentar o disminuir mediante calor o trabajo


Transferencia de energ a trabajo

Q > 0

T > 0

SISTEMA

Q < 0

T < 0

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

25

Criterio termodinámico de signos

se considera positivo el trabajo que se ejerce sobre el sistema y el calor que se comunica al sistema

se considera negativo el trabajo que ejerce el sistema y el calor que pasa del sistema al exterior


Transferencia de energ a trabajo

La energía que hay que comunicar mediante calor a una sustancia para variar su temperatura desde ti hasta tf

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

26

Capacidad calorífica y calor específico

La capacidad calorífica se define como la cantidad de calor que una sustancia absorbe para elevar un grado su temperatura

El calor específico (ce) de una sustancia es la energía que absorbe mediante calor un kilogramo de la misma para elevar la temperatura en un grado kelvin

Las unidades de ce en el S.I. son J/(kg·K)

Q = mce(tf–ti)

Siempre que dos cuerpos intercambian energía mediante calor, la energía perdida por uno de ellos es igual a la energía ganada por el otro (principio de conservación de la energía)

Qcedido + Qabsorbido = 0


Transferencia de energ a trabajo

Tebullición

La energía Q necesaria para producir un cambio de estado depende de

Tfusión

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

27

Efectos del calentamiento de la materia

La energía transferida a una sustancia sólida o líquida mediante calor produce un aumento de la EC de sus partículas y por tanto, un aumento de su velocidad

Cuando las partículas no pueden seguir aumentando su EC y mantener su estado de agregación, toda la energía que reciben la transforman en EP, debilitando las fuerzas de atracción que las une y provocando el cambio de estado (fusión o ebullición)

Q = L·m

L: calor latente m:masa

Durante un proceso de cambio de estado, la temperatura de una sustancia pura permanece constante


Transferencia de energ a trabajo

T

amplitud del movimiento vibratorio

volumen

T

amplitud del movimiento vibratorio

volumen

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

28

Dilatación de sólidos y líquidos

Siempre que un cuerpo sufre una variación de su temperatura, experimenta cambios en sus dimensiones que se conocen como dilatación o contracción

DILATACIÓN

CONTRACCIÓN

La variación de longitud se define mediante el coeficiente de dilatación lineal (), que es la variación de longitud que experimenta un metro de cualquier sustancia cuando la temperatura se modifica un grado

El incremento de longitud de un cuerpo se calcula

L = L – L0 = L0(t – t0)

La variación de longitud se define mediante el coeficiente de dilatación cúbica (), que es la variación de volumen que experimenta un metro cúbico de cualquier sustancia cuando la temperatura se modifica un grado

El incremento de volumen de un cuerpo se calcula

V = V – V0 = V0(t – t0)

Como el aumento de volumen supone un aumento lineal en las tres dimensiones

 = 3


Transferencia de energ a trabajo

T

velocidad de movimiento de las partículas

nº de choques

presión

2 N

p = EC

3 V

1

273 + t

T

V

T

V = V0 (1 + t) = V0 = V0

 = ºC–1

=

273

273

T0

V0

T0

1

273

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

29

Dilatación de gases

La consecuencia de los choques de las partículas de un gas con las paredes del recipiente es la presión p

La presión depende de la cantidad de partículas encerradas (N), del volumen disponible (V) y de la energía cinética media de las partículas

Para mantener la presión constante, debe aumentar el volumen del recipiente. Aunque el mecanismo por el que aumenta el volumen es diferente al de sólidos y líquidos, la ecuación que describe el fenómeno es igual

V = V – V0 =  V0(t – t0)

V = V0 (1 +  t)

Todos los gases tienen el mismo coeficiente de dilatación , pues la distancia entre partículas es tan grande que la naturaleza de la sustancia que forma el gas no influye en su comportamiento

El volumen de una masa de gas a presión constante es directamente proporcional al valor de su temperatura en grados Kelvin


Transferencia de energ a trabajo

Se denominan máquinas térmicas a los dispositivos que efectúan trabajo utilizando la energía interna de un sistema mediante un proceso de paso de energía desde un foco calorífico a otro, que está a menor temperatura

La máquina de vapor: el combustible calienta una masa de agua hasta que la transforma en vapor, aumentando considerablemente su volumen y desplazando un

émbolo, realizando así un trabajo. Después, el vapor abandona el sistema y pasa a un condensador que está a una temperatura mucho menor. El émbolo vuelve a su posición inicial y espera a que una nueva masa de vapor lo desplace de nuevo

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

3*

Intercambios energéticos en máquinas térmicas


Transferencia de energ a trabajo

El rendimiento se calcula dividiendo la energía útil entre la energía disponible. Se expresa en %

Energía útil

Q1– Q2

 = · 100 = · 100

Energía disponible

Q1

T1– T2

 = · 100

T1

El rendimiento se puede expresar también en función de las temperaturas absolutas de los focos

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

31

Rendimiento en máquinas térmicas

Es imposible construir una máquina térmica que convierta totalmente una determinada cantidad de calor en energía mecánica

Energía útil: es el trabajo obtenido

Energía disponible: es el calor transferido por el foco caliente

El rendimiento de una máquina nunca es el 100 % como consecuencia de las pérdidas que se producen al calentar el entorno


Transferencia de energ a trabajo

Problema energético

10

Transferencia de energía: calor

Física y Química

4.º ESO

32

La degradación de la energía y el problema energético

Según el principio de conservación de la energía toda la energía interna que intercambia un sistema se convierte en otras clases de energía sin variar su valor

Sin embargo un sistema que recibe calor no puede transferir íntegramente la energía recibida mediante trabajo

En las máquinas térmicas, la necesidad de trabajar entre dos focos a distintas temperaturas hace que el trabajo obtenido (Q1– Q2) sea siempre menor que la energía disponible Q1

En los procesos naturales, cuando hay un desplazamiento (trabajo), se transfiere energía mediante calor al entorno, por medio del rozamiento

La energía transferida mediante calor no permite su transformación íntegra en otros tipos de energía


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