Conceptos Esenciales de Física: Trabajo, Energía, Calor y Transformaciones de la Materia
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Conceptos Fundamentales de la Energía y el Calor
Trabajo Mecánico
Definición de Trabajo Mecánico
El Trabajo Mecánico es una magnitud escalar que se relaciona con una fuerza cuando esta produce un desplazamiento. Se define como la energía transferida por una fuerza cuando actúa a lo largo de una distancia.
El Ergio como Unidad de Trabajo
El Ergio es una unidad de trabajo en el sistema CGS (centímetro-gramo-segundo). Representa el trabajo que realiza una fuerza de 1 dina cuando se produce un desplazamiento de 1 cm, siendo sus direcciones y sentidos iguales.
La Energía: Capacidad de Producir Cambios
La Energía es la capacidad que poseen los cuerpos o sistemas para producir cambios, sean estos físicos o químicos, en sí mismos o en otros cuerpos al realizar un trabajo.
Energía Cinética
La Energía Cinética (Ec) es la energía que tienen los cuerpos debido a su movimiento. Depende directamente de la masa del cuerpo y del cuadrado de su velocidad.
Energía Potencial
La Energía Potencial (Ep) es la capacidad que poseen los cuerpos o sistemas para producir cambios debido a que sobre esos objetos actúa una fuerza capaz de desarrollar un trabajo cuando se les deja libremente. Un ejemplo común es la energía potencial gravitatoria, que depende de la posición de un objeto en un campo gravitatorio.
Principio de Conservación de la Energía Mecánica
La Energía Mecánica (EM) de un cuerpo es la suma de su Energía Cinética (Ec) y su Energía Potencial (Ep):
EM = Ec + Ep
El Principio de Conservación de la Energía Mecánica establece que la Energía Mecánica de un cuerpo se conserva cuando sobre él no actúan fuerzas no conservativas, como las fuerzas de rozamiento.
Energía Térmica o Calor
La Energía Térmica, comúnmente conocida como Calor, es la energía que se transfiere de unos cuerpos a otros debido a una diferencia de temperatura entre ellos.
Cambios Asociados a la Energía Térmica
La transferencia de energía térmica puede provocar diversos cambios en la materia:
- Cambios Físicos:
- Variación de temperatura.
- Variación de volumen (dilatación y contracción).
- Cambios de estado (condensación, vaporización, solidificación, fusión, sublimación).
- Cambios Químicos:
- El aumento de temperatura (Tª) generalmente hace que la velocidad de las reacciones químicas aumente.
Temperatura: Medida de la Agitación Molecular
La Temperatura (Tª) mide el grado de agitación de las partículas de una sustancia. Su origen está en las sensaciones que se producen al tacto de los diferentes cuerpos (caliente, templado, frío). Cuanto mayor sea la temperatura, mayor es la Energía Cinética (EC) promedio de las partículas de la sustancia. Se mide con un termómetro.
Unidad de Medida del Calor: La Caloría
La Caloría (cal) es una unidad de medida del calor. Se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 gramo de agua para que su temperatura se eleve en 1 °C (desde 14.5 °C a 15.5 °C, a presión atmosférica normal) sin cambiar de estado físico.
Cambios de Estado de la Materia
Fusión
La Fusión es el cambio físico por el que una sustancia que está en estado sólido pasa a estado líquido, mediante la absorción de calor. Este proceso se produce a una temperatura (Tª) constante mientras dura, conocida como punto de fusión, que tiene un valor determinado para cada sustancia y depende de la presión atmosférica.
Vaporización (Evaporación y Ebullición)
La Vaporización es el proceso físico en el que un líquido pasa al estado de vapor, produciéndose en ambos casos con absorción de calor. Existen dos formas principales de vaporización:
- Evaporación: Afecta solo a la superficie del líquido y es un proceso lento que puede ocurrir a cualquier temperatura por debajo del punto de ebullición.
- Ebullición: Afecta a toda la masa del líquido, se produce con formación de burbujas en su interior y en la superficie, mediante la absorción de calor. La temperatura (Tª) es constante mientras dura el proceso (punto de ebullición) y tiene un valor determinado para cada sustancia que varía con la presión atmosférica.
La Experiencia de Joule y el Equivalente Mecánico del Calor
James Prescott Joule realizó experimentos cruciales para determinar la equivalencia entre las unidades de trabajo o energía (en Joules, J) y las calorías. Para ello, dispuso un recipiente aislado térmicamente en el que introdujo agua y en el que había un eje de rotación con unas aspas. A este eje le conectó una bobina de hilo de la que iba suspendido un peso. Al descender el peso, las aspas giraban, agitando el agua y aumentando su temperatura, lo que permitía calcular la energía mecánica convertida en calor.