6 Transferencia de energía: trabajo, calor y radiación

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MAPA CONCEPTUAL DE LA UNIDAD:

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APARTADOS DEL TEMA.

Mapa conceptual de la unidad.

1. Qué es la energía y cómo se mide.

2. Transferencia de energía. Principios de conservación.

3. La energía mecánica.


4. El trabajo modifica la energía mecánica. Potencia.


5. Energía térmica, calor y otros conceptos relacionados.

6. Efectos del calor. Calorimetría.

7. Máquinas térmicas.

8. Las ondas transfieren energía.

Vocabulario del tema.

Bibliografía



1 Qué es la energía y cómo se mide
››› El concepto de energía. external image energia_eolica.jpg
Energía: es la capacidad que tienen los sistemas materiales para producir cambios. Pero no debemos pensar que la energía es la causa de los cambios, sino son las interacciones, y su consecuencia, las transferencias de energía.


››› Como se mide la energía.
Se puede medir mediante dos unidades diferentes:

-Para medir el calor:
· Una caloría (cal) es la cantidad de calor que se ha de transferir a un
gramo de agua para que su temperatura aumente un grado centígrado.


-Para medir el trabajo:
· Un julio ( j ) es el trabajo necesario para elevar a un metro de altura un objeto de 102g de masa.
En el sistema internacional de Unidades la unidad de energía es el julio.


››› Manifestaciones de la energía.
· Energía mecánica:
La energía cinética (Ec) y potencial (Ep) se encuentra habitualmente ligadas y, por ello, se ha generalizado el término de energía mecánica para designarlas:
Em = Ec + Ep
· Energía interna:
La energía térmica a la energía liberada en forma de calor, liberada por la naturaleza. La Energía química es la que se produce en las reacciones químicas. A todo este grupo de energía lo denominamos energía interna.

· Energía radiante:
Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, tanto más energética cuanto mayor sea su temperatura.


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Transferencia de energía. Principios de conservación.

››› Concepto de sistema
En función de cómo un sistema puede intercambiar materia y energía con su entorno, podemos clasificarlos:
· Sistemas abiertos. Pueden intercambiar materia y energía con su entorno.
· Sistema cerrado. Solo intercambian energía.
· Sistema aislado. No puede intercambiar con el exterior ni materia ni energía. Un sistema aislado perfecto sería el universo.

››› En qué forma intercambia energía los sistemas
Los sistemas pueden intercambiar energía de dos modos:
· En forma mecánica, mediante trabajo.
Se produce un intercambio de energía en forma de trabajo siempre que una fuerza produce desplazamiento.
El trabajo es pues, energía en transito.

· En forma térmica, mediante calor. Cuando se llega a un punto de equilibrio térmico cesará el intercambió de energía.
El intercambio energético en forma de calor se produce entre sistemas que se encuentran a distinta temperatura.
El calor también es energía en transito.

››› Principios de conservación de la energía
Las experiencias realizadas en los campos de la mecánica y la termodinámica, indican que: la energía siempre se conserva.

Propagación del calor:

Convección:
En los fluidos, la propagación del calor se produce mediante un transporte de materia. Las zonas del fluido a mayor temperatura se expanden, disminuyendo su densidad, y se elevan, quedando las partes bajas ocupadas por fluidos a menor temperatura. Cuando se enfrían, vuelven a descender, y así se originan las corrientes de convección.

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Conducción:
Es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico.

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Radiación:
Todos los sistemas emiten radiación electromagnética, cuya energía depende de la temperatura a la que se encuentre, y también absorben parte de la radiación que les llega, proveniente de otros sistemas.
La radiación no necesita la materia para trasmitirse: se propaga por el vacío.


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La energía mecánica

››› Energía potencial
Un cuerpo, por su posición en el campo gravitatorio, tiene capacidad para realizar distintos tipos de transformaciones, es decir, tiene energía.
-Energía potencial gravitatoria es la que tienen los cuerpos debido a su posición en el campo gravitatorio.

Esta energía es directamente proporcional a la masa del objeto, m, a la intensidad del campo gravitatorio, g, y a la distancia entre el objeto y el centro de la Tierra. Si tomamos como referencia la superficie de la Tierra, y suponemos que cualquier objeto en ella tiene una Ep = 0, la que corresponde a un objeto que se encuentre a una altura h sobre la superficie terrestre será:
Elástica = m · g · h

Al deformar un muelle, los cuerpos tienen una energía potencial debida a la elasticidad de estos sistemas, es la denominada energía potencial elástica, que es tanto mayor cuanto mayor sea la deformación, ∆x, que sufre el sistema. Si k es la constante elástica del resorte, que depende de su naturaleza, su expresión es:

Elástica = ½ · k · ( ∆x ) 2

››› Energía cinética
Energía cinética es la que poseen los cuerpos debido a su movimiento. Es proporcional a la masa del cuerpo, m, y al cuadrado de su velocidad, v:


Ec = ½ · v 2

››› Conservación de la energía mecánica
Se define la energía mecánica de un cuerpo como la suma de sus energías cinética y potencial:


Em = Ec + Ep


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El trabajo modifica la energía mecánica. Potencia

››› Concepto de trabajo external image Mehaaniline_t%C3%B6%C3%B6.png
Cuando la transferencia de energías entre sistemas se produce mediante la intervención de fuerzas que se desplaza, decimos que se ha realizado un trabajo.
Por ejemplo sin intentamos mover un coche y no se produce ningún movimiento no estamos comunicando algún tipo de energía, pero en cambio si lo consiguiésemos mover estaríamos aplicando una energía cinética. Por tanto el desplazamiento que provoca esta fuerza, se denomina trabajo mecánico (W).


El trabajo es la energía que se transfiere de unos sistemas a otros por la acción de una fuerza que se desplaza.

¿Cómo se mide el trabajo?
En primer lugar dejamos claro lo que es trabajo mecánico que se define como el producto de la fuerza aplicada, en la dirección del movimiento, por el desplazamiento:

W = F · ∆x

Su unidad de medida es el Julio. El julio seria el trabajo realizado por la fuerza de newton cuando su punto de aplicación se desplaza un metro en la misma dirección y sentido que el desplazamiento: 1J = 1 N · 1m.

››› El trabajo modifica la energía potencial
Si queremos elevar un cuerpo a cierta altura, modificamos su energía potencial ya que estamos estableciendo una fuerza opuesta a su peso:

Wf = F · ∆h = m · g · (hb – ha)

m · g · ha

Epb – Epa = ∆Ep

Esta expresión significa que el trabajo realizado por una fuerza igual y opuesta al peso se emplea en aumentar la energía potencial de cuerpo, es decir, esta se almacena.

››› La rapidez del trabajo. Potencia
Vamos a definir que la potencia es la rapidez con la que se realza un trabajo. Para calcularla necesitaremos la siguiente formula.

Potencia = Trabajo → P = W/t → vatio = julio/segundo

Como podemos observar la unidad de media de la potencia del S.I. es el vatio (W) que se define como la pot3encia de una maquina que realiza el trabajo de un julio por segundo.

››› El teorema de las fuerzas vivas
Como hemos visto antes el trabajo modifica la energía potencial de un cuerpo, pues bien este también modifica la energía cinética de dicho cuerpo. Esta modificación de su energía cinética se le conoce como el teorema de las fuerzas vivas y la representación de su formula seria la siguiente:

Wfneta

∆Ec

½ · m · (v²f – v²i)




5 Energía térmica, calor y otros conceptos relacionados
››› Qué es, y como se manifiesta, la energía térmica
La energía térmica es la suma de todas las energías cinéticas de las partículas que lo constituyen. Es parte de su energía internaSe manifiesta mediante la temperatura.
La temperatura de un sistema es una magnitud proporcional a la energía cinética media de sus partículas.
La energía térmica de un sistema, depende de su temperatura, pero también de su masa y de su naturaleza. No debes pensar que los sistemas a mayor temperatura tienen mas energía térmica.

›››
Calor y temperatura. Equilibrio térmico
El calor
es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas de la materia.
La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia.
Cuando dos sistemas a temperaturas diferentes entran en contacto, se produce una transferencia de energía, siempre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el menor, hasta que ambas temperaturas se igualan. Cuando esto ocurre decimos que hay equilibrio térmico.


Enlace de interes: Equilibrio termico (explicación)

›››
Calor específico
El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el sistema internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramos y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramos y grado centígrado.





6 Efectos del calor. Calorimetría
››› El calor y los cambios de estado
Cuando suministramos calor a un cuerpo se produce un incremento de su temperatura, pero siempre no es así, pues hay casos en que esta permanece constante aunque se le suministren grandes cantidades de calor. Esto ocurre cuando se produce un cambio de estado. En los cambios de estado no varía la temperatura.

Enlace de interes: Animación de cambios de estado en vista microescopica
Enlace de interes: Estados de la materia (explicación)
¿Como explica este fenómeno la TCM?
Según la teórica cinética molecular al calentar un cuerpo sólido su temperatura aumenta porque lo hace la energía cinética mediante sus partículas, pero, al llegar a la fusión, han de separarse unas de otras. Por eso la temperatura durante la fusión permanece constante. Otro tanto ocurre en la ebullición; la temperatura permanece constante porque la energía que se le suministra líquido se invierte en separar por completo las partículas. Calor latente de cambio de estado es la energía necesaria para producir el cambio de estado de 1 Kg. de cualquier sustancia, a temperatura constante. Cada sustancia tiene unos calores de cambios de estados característicos.

En la fusión: Q = m·c f En la ebullición: Q = m·c v
Enlace de interes: Animación de la Teoria Cinetica Molecular
Enlace de interes: Modelos atómicos

›››
Calorimetríaexternal image Calorim1G.jpg
Cuando dos sistemas a la misma temperatura toman contacto pasar calor desde el que tiene la temperatura más alta al otro hasta que igualen ambas.
El calor cedido por el cuerpo es negativo porque disminuye su energía interna. Al calor ganado lo consideramos positivo, porque la aumenta:



Q cedido = m1 · ce1 · (Te - T1) Q ganado = m2 · ce2 · (Te - T2)

De acuerdo con el principio de conservación de energía:



m1 · ce1 · (Te - T1) + m2 · ce2 · (Te - T2) = 0



7 Maquinas térmicas

››› Balance, energía-trabajo-calor en las máquinas
Una maquina térmica es un dispositivo capaz de transformar en trabajo parte del flujo calorífico que se establece entre dos sistemas a diferentes temperaturas (foco caliente y foco frío). Una máquina térmica funciona cuando se produce un paso de calor de una zona a otra de ella para que una máquina funcione en modo continuo tendremos que desalojar el calor del foco frío mediante un sistema refrigerante. Lamamos rendimiento de una máquina térmica al cociente entre el trabajo mecánico producido y el calor aportado por el foco caliente:
Rendimiento = W/Q1 · 100
››› Clasificación de las máquinas térmicas
· Máquinas de combustión externa
La expansión es generada por un foco calorífico exterior a la máquina la primera máquina térmica utilizada fue la máquina de vapor inventada en el sigo XVII por James Watt para bombear el agua en las minas de carbón. El vapor de agua después de producir el desplazamiento del émbolo se enfría en el condensador y vuelve, forzada por la bomba, a la caldera.


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Enlace de interes: Video del funcionamiento de la maquina de vapor

· Máquinas de combustión interna

Los gases que se expanden son producidos por una reacción de combustión que se produce en el interior de la máquina el motor mas común es el de cuatro tiempos que consta de las siguientes partes:



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-Carburador o sistema de inyección en el se produce la mezcla de combustible y aire
-Cilindro en el tiene lugar la explosión de la mezcla y se produce el movimiento alternativo del pistón
-Biela y manivela transforma el movimiento alternativo de vaivén en uno de rotación. Su funcionamiento es:


1-Primer tiempo. Admisión el pistón baja se abre la válvula de admisión y penetra la mezcla de combustible y aire
2-Segundo tiempo. Compresión el pistón sube y comprime la mezcla
3-Tercer tiempo. Explosión-expansión salta la chispa en la bujía se produce la combustión y el pistón retrocede empujando los gases con lo cual realiza el trabajo mecánico
4-Cuarto tiempo. Expulsión sube el pistón y expulsa los gases al exterior


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Enlace de interes: Video del funcionamiento de la máquina de cuatro tiempos

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Las ondas transfieren energía
››› Energía de las ondas external image ondas.jpg
Una onda es una propagación de una perturbación en el espacio y en el tiempo.
Una onda transporta energía pero no transporta materia.
Se distinguen dos ondas: las ondas mecánicas y las ondas electromagnéticas.

Las ondas mecánicas es la perturbación tensional que se produce en un medio material.
Las ondas electromagnéticas son aquellas que no necesitan el medio material para propagarse pero hay veces que si se puede propagar por un medio material.
La energía que se transportan las ondas es tanto mayor cuanto mayor es su amplitud y su frecuencia.

Enlace de interes: Ondas de mercurio a diversas frecuencias

››› Las máquinas del sonido.
Cuando nos referimos a sonido audible por el oído humano lo definimos como una sensación percibida en el órgano del oído, producida por la vibración que se propaga en un medio elástico en forma de ondas.
Las máquinas son todo aparato o ingenio capaz de transformar energía.
De las máquinas del sonido podemos destacar a: los micrófonos y altavoces, las grabadoras, los procesadores, mezcladores, ecualizadores etc. external image microphone.jpg


-Micrófonos y altavoces. Es un transductor que nos permite realizar una conversación entre las variaciones de presión y variaciones de nivel en una corriente eléctrica. Los altavoces lo hacen lo mismo pero al revés.
-Grabadoras. Es un aparato que sirve para grabar y reproducir los sonidos.
-Los procesadores, mezcladores, ecualizadores etc. Se utiliza para alterar y mejorar la calidad de la música.

Las máquinas de ultrasonidos.
Son variaciones de presión de muy alta frecuencia, superiores a las frecuencias que captan nuestros oídos. Entre ellas podemos destacar el sonar y el ecógrafo.
-El sonar. Lo utilizan los barcos para saber lo que hay en los bajos fondos.
-El ecógrafo. Se utiliza en la medicina para visualizar tejidos internos.

››› Las máquinas de la luz.external image laser3gg3.jpg
La luz es la forma de energía que ilumina las cosas y las hace visibles y que se propagan mediante partículas llamadas fotones.
Algunas de las máquinas son: La bombilla, el teléfono, la radio y la televisión, el láser, los hornos microondas.

- La bombilla. Transforma en luz las corrientes eléctricas, lo que hace que nos olvidemos de la oscuridad.
- El teléfono. Hace que nos podamos comunicar con cualquier persona desde cualquier punto del mapa.
-La radio y la televisión. Transforman el sonido y las imágenes en OEM de frecuencias intermedias que se pueden enviar desde cualquier punto del mapa.
-El láser. Transforma la energía eléctrica en luz monocromática y coherente.
-Los hornos microondas. Se utilizan para calentar alimentos y bebidas.



››› Vocabulario del tema
· La energía es la capacidad que tienen los sistemas materiales de producir cambios.
· Se manifiesta en forma de energía mecánica, interna y radiante.
· Se puede transferir de unos sistemas a otros de forma mecánica y térmica.

· El trabajo es una forma de transferencia de energía entre dos sistemas. Se realiza cuando actúan fuerzas que producen desplazamiento.
· El calor es una transferencia de energía térmica entre sistemas materiales. Surge cuando se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura, y siempre fluye del sistema de mayor temperatura hacia el de menor.

· Se transforma energía mecánica en energía térmica.
· La transformación inversa también es posible, con las maquinas térmicas, pero con rendimientos mucho menores que en el primer caso.

· Son maquinas que transforman el calor en trabajo, y pueden ser de combustión externa o interna.
· La energía también puede transmitirse por radiación, como la que recibimos de Sol, en forma de ondas electromagnéticas. Con cualquier energía, incluida la radiación, podemos hacer funcionar las maquinas.



››› Bibliografía
http://es.thefreedictionary.com/
http://www.walter-fendt.de/ph11s/emwave_s.htm

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Ondasbachillerato/ondasEM/ondasEleMag_indice.htm
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/indice.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa


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