Energía, Trabajo y Calor

La Energía es la capacidad que tiene un cuerpo o sistema para realizar trabajo.

 ¿Cuándo se realiza trabajo?

Se realiza trabajo cuando al aplicar una fuerza sobre un sistema éste se mueve o deforma.

Si la fuerza deja de actuar no se realiza trabajo aunque el sistema siga en movimiento. Por otra parte, si actúa fuerza sobre el sistema y éste no se mueve o deforma, tampoco se realiza trabajo.

Figura 1

Ejemplos:

1.       Considera el molino de viento de la figura:

                ¿El viento realiza trabajo sobre el molino?

•  Si las aspas se mueven, debido a la fuerza que el viento ejerce sobre ellas, entonces, el viento realiza trabajo sobre el molino.
• Si las aspas no se mueven, no se está realizando trabajo sobre el molino, hay una fuerza aplicada sobre ellas pero no hay movimiento.

Figura 2

2.   En el dibujo de la figura 2, un caballo tira de un carro.

              ¿El caballo realiza trabajo sobre el carro?

• Si el caballo logra mover al carro,  realiza trabajo
• Si la fuerza aplicada por el caballo no logra moverlo, no realiza trabajo.

Figura 3

3.  Un artesano modela cerámica para hacer un florero (figura 3).

           ¿El artesano realiza trabajo?

• El artesano para darle forma a la cerámica debe aplicar sobre el material y éste se deforma, por lo tanto realiza trabajo.

Figura 4

4.    Un obrero intenta mover una columna (figura 4).

            ¿El obrero realiza trabajo?

• A pesar del esfuerzo realizado y de la fuerza aplicada sobre la columna, no realiza trabajo sobre ella, porque no logra moverla.

Actividad:

1. Cita 2 ejemplos cotidianos en los que se aplique fuerza sobre un sistema pero no realice trabajo.
2. Cita 2 ejemplos en los que se aplique fuerza sobre un sistema y se realice trabajo sobre él.

A partir de los ejemplos y de las definiciones de energía y trabajo, se hace evidente que estos dos conceptos están relacionados. analizando las situaciones podemos deducir cómo es la relación:

• En todos los ejemplos hay una interacción entre dos sistemas o entre un sistema y el ambiente. En el ejemplo 1 la interacción es entre el viento (ambiente) y el molino (sistema) y en el ejemplo 2, entre el caballo (un sistema) y un carro (otro sistema).

• Quien realiza trabajo, lo hace porque tiene energía y al hacerlo "cede" parte de ella. Por ejemplo, el viento al "chocar" con las aspas pierde en parte su energía disminuyendo la velocidad; el caballo, al tirar del carro, se cansa.

• Cuando se realiza trabajo sobre un sistema su energía aumenta. Como consecuencia de el sistema tendrá capacidad de realizar trabajo sobre otro sistema. Por ejemplo, el molino cuyas aspas fueron movidas por el viento podrá elevar agua de un pozo, o hacer funcionar un generador de corriente eléctrica.

EL TRABAJO ES UNA FORMA DE TRANSFERIR ENERGÍA.

Trabajo y Energía Mecánica:

En todos los ejemplos vistos, interviene un tipo de energía llamada energía mecánica (EM), que se puede subdividir en energía cinética y energía potencial.

Energía Cinética (Ec)

Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto, producir un trabajo. Su valor depende de la velocidad del cuerpo y de la masa del mismo.

Si lanzamos una piedra contra una chapa, al chocar con ella realizará un trabajo produciendo una deformación. Esto se debe a que la piedra en movimiento tiene energía cinética y por lo tanto capacidad para realizar trabajo mecánico.

Nuestra experiencia nos muestra que:

• Si lanzamos dos piedras de igual masa pero con diferente velocidad, la que tiene mayor velocidad realizará más trabajo y deformará más la chapa.
• Si lanzamos dos piedras con igual velocidad pero sus masas son diferentes, la que tiene mayor masa realizará más trabajo y deformará más la chapa.

Energía Potencial (Ep)

 La energía potencial es aquella que está “almacenada” en un sistema, de tal forma que al liberarse y transformarse es posible ver sus efectos.

Todo cuerpo que se ubicado a cierta altura del suelo posee energía potencial.

Esta afirmación se comprueba cuando un objeto cae al suelo, siendo capaz de mover o deformar objetos que se encuentren a su paso. El movimiento o deformación será tanto mayor cuanto mayor sea la altura desde la cual cae el objeto.

Para una misma altura, la energía del cuerpo dependerá de su masa. Sin embargo, mientras el cuerpo no descienda, la energía no se manifiesta: es energía potencial.

Todos los cuerpos tienen energía potencial que será tanto mayor cuanto mayor sea su altura. 

 Conservación de la Energía Mecánica

En los sistemas que cumplen determinadas condiciones, la energía mecánica es constante.

Esto significa que en todo momento la suma de la energía cinética más las energías  potenciales tiene el mismo valor. Esto se debe a que la energía cinética puede transformarse en potencial y viceversa.

Energía y calor:

Al realizar trabajo sobre un sistema, su temperatura aumenta.

Otra forma de transferir energía a un sistema, es mediante la transferencia de calor.

Pero, ¿cuál es la condición para que exista transferencia de energía (calor) entre sistemas o entre un sistema y el ambiente?

La única condición para que exista transferencia de calor, es que los sistemas involucrados tengan diferente temperatura.

El calor es el proceso que permite la transferencia de energía entre dos sistemas, cuando entre ellos existe una diferencia de temperatura.

Cuando dos o más cuerpos llegan a tener la misma temperatura, decimos que han llegado a un EQUILIBRIO TÉRMICO.                  Ej.:http://www.ceibal.edu.uy/UserFiles/P0001/ODEA/ORIGINAL/1111118_anima_calor10.elp/observa_la_animacin.html

Datos obtenidos en el experimento:                
https://docs.google.com/spreadsheet/pub?hl=es&hl=es&key=0AiR33zMRYMOIdGdRTlI0YUlaWW5Cd1g1S2RGbVlzYlE&single=true&gid=0&output=html

Concluimos que:

Existen dos procesos, TRABAJO y CALOR, mediante los cuales es posible la transferencia de energía entre los sistemas.

Unidades de Energía:

La unidad de energía en el Sistema Internacional de unidades es el Joule, que se simboliza J.

Recibe este nombre en honor al científico británico James Joule.

Algunos datos de James Prescott Joule:

Nació en Salford, Mánchester el 24 de diciembre de 1818.

Fue uno de los más notables físicos de su época, es conocido sobre todo por sus investigaciones en electricidad y termodinámica.

James Joule

Joule estudió el magnetismo.  Trabajó con Lord Kelvin para desarrollar la escala absoluta de la temperatura.

James Prescott Joule nació en el seno de una familia dedicada a la fabricación de cervezas. De carácter tímido y humilde, recibió clases particulares en su propio hogar, de física y matemáticas, siendo su profesor el químico británico John Dalton; compaginaba estas clases con su actividad profesional, trabajando junto a su padre en la destilería, la cual llegó a dirigir. Dalton le alentó hacia la investigación científica y realizó sus primeros experimentos en un laboratorio cercano a la fábrica de cervezas, formándose a la vez en la Universidad de Manchester.

Enuncia el principio de conservación de la energía. 

Murió el 11 de octubre de 1889 en Salford, Inglaterra. 

• Debido a que la energía de un cuerpo o sistema puede aumentar o disminuir según las transferencias producidas por trabajo o calor con el ambiente, las unidades de calor y trabajo son unidades de energía y, por lo tanto, también se expresan en Joule.

• Otra unidad de energía muy utilizada, aunque no pertenece al Sistema Internacional de unidades, es la caloría, que se simboliza cal. Se define una caloría como la cantidad de energía que hay que suministrarle a 1 gramo de agua para que se temperatura aumente en 1ºC

• Como ambas son unidades de energía, existe una relación entre ellas; fue el propio James Joule quién determinó experimentalmente que 1 cal equivale a 4,18 J.

Concluyendo...

Temperatura	·        Es la propiedad de un sistema que se mide con un termómetro. ·        La medida se expresa en K o ºC.
Calor	·        Es una forma de transferir energía. ·        La medida se expresa en  J o cal.
Trabajo	·        Es una forma de transferir energía. ·        La medida se expresa en J o cal

Actividad:

Copia el cuadro al cuaderno de clase y complétalo.

kJ	cal	J	kcal
135
	6700
		75
			0,548