Energía, Termodinámica y Mecánica: Conceptos Clave de Física
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Energía
La energía es la capacidad de un cuerpo o sistema para realizar trabajo o transferir calor. Si no hay transferencia de energía no hay cambios. Sus características son que se conserva en todos los procesos y que su calidad disminuye.
Primera ley de la termodinámica
La energía de un cuerpo o sistema se mantiene constante hasta que dicho cuerpo interacciona con otro y se produce un intercambio de energía. No importa el valor inicial de la energía, solo su variación. El trabajo y el calor son dos maneras de modificar el contenido energético de un sistema.
Trabajo (W)
El trabajo es el producto de la fuerza aplicada por el desplazamiento.
Calor (Q)
El calor es la energía que se transfiere entre sistemas que están a diferente temperatura o mientras se produce un cambio de estado. La variación de energía es igual al trabajo realizado sobre o por el sistema más el calor absorbido o cedido.
Potencia (P)
La potencia es la velocidad con la que se realiza trabajo. Su unidad es el vatio (W), donde 1 W = 1 J/1 s. El kilovatio-hora (kWh) es el trabajo equivalente al desarrollado por una máquina de 1 kW de potencia durante 1 h y se utiliza para expresar el consumo eléctrico.
Energía cinética
La energía cinética es la energía que tienen los cuerpos en virtud de su movimiento. Se mide en julios.
Teorema de la energía cinética
La suma algebraica de todos los trabajos realizados por las fuerzas que actúan sobre un sistema es igual a la variación de la energía cinética del sistema. Si la fuerza hace trabajo positivo, la energía cinética aumenta; si el trabajo es negativo, la energía cinética disminuye.
Distancia de frenado
Los factores que intervienen son la velocidad, el estado del calzado, la carga del vehículo y la pendiente.
Distancia de reacción
Es la distancia recorrida por el vehículo desde que el conductor detecta un peligro hasta que comienza a frenar. Tr = 0,7-1 s.
Energía potencial
La energía potencial gravitatoria es la energía de un cuerpo debida a la interacción gravitatoria con la Tierra. Su origen se sitúa en la superficie, donde Ep = 0.
La energía potencial elástica es el trabajo realizado por la fuerza elástica al estirar o comprimir un muelle hasta alcanzar su longitud natural. Depende de la constante elástica y de la deformación, y necesita que existan dos cuerpos interactuando.
Principio de conservación de la energía mecánica
Cuando sobre un cuerpo o sistema actúan únicamente fuerzas conservativas, la energía mecánica total es constante: Ep + Ec = constante. Cuando actúan fuerzas no conservativas, el trabajo realizado por todas las fuerzas es la suma del trabajo de las fuerzas conservativas y el de las fuerzas no conservativas.
Termodinámica y mecánica estadística
La termodinámica estudia sistemas de muchas partículas desde un punto de vista macroscópico, interesándose por la energía térmica y su relación con la energía mecánica.
La mecánica estadística estudia sistemas de muchas partículas relacionando los aspectos macroscópicos con los microscópicos, sin tratar en detalle el movimiento de cada partícula. Con ella comprendemos conceptos como la temperatura y la flecha del tiempo.
Sistemas termodinámicos
Un sistema termodinámico es una porción del universo seleccionada para estudiar los intercambios de materia y/o energía con su entorno. Puede ser:
- Abierto: intercambia materia y energía.
- Cerrado: solo intercambia energía.
- Aislado: no hay intercambios.
Energía interna, temperatura y calor
La energía interna es la suma de la energía cinética debida al movimiento interno de las partículas del cuerpo más la energía potencial intermolecular.
La temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas de un cuerpo.
El calor es una medida de la energía térmica transferida entre sistemas a diferente temperatura.
Equilibrio térmico
Cuando dos sistemas aislados con distinta temperatura se ponen en contacto prolongado, alcanzan la misma temperatura. El calor fluye desde el sistema más caliente hacia el menos caliente. Sirve para definir la temperatura como una propiedad compartida por los sistemas en equilibrio.
Termómetro y escalas de temperatura
El termómetro es el aparato que mide la temperatura.
La escala Celsius es la más empleada para indicar el valor de la temperatura ambiente y del cuerpo humano. Se mide en ºC, donde 0 ºC es el punto de fusión del agua y 100 ºC es el punto de ebullición del agua.
La escala Kelvin se usa en ámbitos científicos y técnicos. 0 K equivale a -273 ºC. El cero absoluto es el valor más bajo de temperatura; cuando la velocidad es 0, es imposible alcanzarlo, lo que se explica desde la física cuántica.
Calor específico y capacidad calorífica
El calor específico (c) es un parámetro que depende del material que absorbe o cede el calor. Se mide en J/(kg·K).
La capacidad calorífica es la relación entre el calor proporcionado a un cuerpo y su aumento de temperatura, es decir, el calor necesario para elevar la temperatura del cuerpo 1 ºC o 1 K. Se mide en J/K.
Calor latente
El calor latente es la energía que hay que dar a una masa de 1 kg para que cambie de estado. Depende de cada sustancia. Para el agua: fusión = 334 kJ/kg y ebullición = 2260 kJ/kg.
Mecanismos de transmisión del calor
- Conducción: la energía se transmite por colisiones entre átomos y moléculas de sistemas en contacto térmico. Ocurre en sólidos.
- Convección: movimiento macroscópico de materia. Ocurre en líquidos y gases.
- Radiación: todos los cuerpos por encima del cero absoluto emiten espontáneamente radiación electromagnética o térmica. La radiación térmica es infrarroja a las temperaturas de nuestro entorno y se desplaza hacia el visible cuando aumenta la temperatura. No necesita materia para su transmisión.
Leyes de la termodinámica
Primer principio de la termodinámica: cualquier variación de la energía interna de un sistema debe ser igual al intercambio de calor y trabajo con el medio. La energía se conserva.
Segundo principio de la termodinámica: los sistemas físicos tienden a evolucionar hacia estados más desordenados, por razones estadísticas (entropía y probabilidad). El rendimiento de una máquina siempre es menor del 100 %.
La flecha del tiempo
La flecha del tiempo es la dirección en la que transcurre el tiempo, relacionada con la entropía: en el sentido en que las cosas calientes se enfrían, el tiempo avanza y la entropía aumenta.