L'Energia: Tipus, Propietats i Transmissió

L'Energia

És una propietat dels cossos o dels sistemes materials que els permet produir canvis en ells mateixos o en altres cossos. És una magnitud escalar. S'expressa en Joules (J) i la calor en calories (cal).

Calories

Energia que s'ha de proporcionar a 1 litre d'aigua per incrementar 1 °C la seva temperatura.

Sistema Material

Porció de matèria objecte d'estudi.

Tipus d'Energia

Energia Mecànica

Suma d'energia cinètica i potencial d'un cos: E_m = E_c + E_p

Energia Cinètica

Energia que tenen els cossos pel fet d'estar en moviment: E_c = 1/2 m·v²

Energia Potencial

Energia que tenen els cossos pel fet d'ocupar una posició determinada.

Energia Potencial Gravitatòria

Energia que tenen els cossos pel fet d'estar en un lloc determinat sobre el sòl terrestre: E_p = m·g·h, on m = massa del cos, g = valor de g en aquell lloc, h = altura sobre la superfície terrestre.

Energia Potencial Elàstica

Energia que tenen els cossos que experimenten una deformació: E_e = 1/2 k·x², on k = constant d'elasticitat del cos, x = deformació.

Propietats de l'Energia

• Es transfereix
• Es pot emmagatzemar i transportar
• Es transforma
• Es degrada en forma de calor
• Es conserva: E_elèctrica = E_{mecànica útil} + E_{calor pèrdua}

Com es Transfereix l'Energia (energia en trànsit)

• Treball (manera mecànica)
• Calor (manera tèrmica)
• Ones electromagnètiques (manera radiant)

El Treball

El treball és l'energia que es transfereix d'un cos (o sistema) a un altre per mitjà d'una força que provoca un desplaçament: W = F·Δx·cosθ. S'expressa en Joules, 1 J = 1 N·1 m.

Treball i la Força de Fregament

W_fregament = F_fregament·Δx·cos180°

El Treball i l'Energia Cinètica

Teorema de les Forces Vives

W = ΔE_c => W = E_c2 - E_c1

El Treball Modifica l'Energia Potencial

Força Conservativa

El treball que realitza només depèn del punt final i del punt inicial i no depèn del camí recorregut: W_F = F·Δx·cos0° = m·g·(h₂ - h₁) = mgh₂ - mgh₁ = E_p2 - E_p1 = ΔE_p

El Treball Modifica l'Energia Mecànica

W = ΔE_m => W = ΔE_c + ΔE_p = (E_c2 - E_c1) + (E_p2 - E_p1) = (E_c2 + E_p2) - (E_c1 + E_p1) = E_m2 - E_m1 = ΔE_m

Principi de Conservació de l'Energia Mecànica

Si l'única força que fa treball sobre un cos és el seu propi pes, la seva energia mecànica es manté constant.

Les Ones

Moviment Ondulatori

La propagació d’un moviment vibratori a través d’un medi. La pertorbació que s’origina s’anomena ona, i mitjançant aquesta ona es transmet energia d’un punt a un altre del medi sense que hi hagi transport de matèria.

Tipus d'Ones

Segons la Dimensió

• Unidimensionals
• Bidimensionals
• Tridimensionals

Segons la Direcció de Vibració

• Longitudinals (ex: el so): les partícules del medi vibren en la mateixa direcció de propagació de l'ona.
• Transversals (ex: una corda o ones sobre la superfície de l'aigua): les partícules del medi vibren en direcció perpendicular a la direcció de propagació de l'ona.

Segons el Medi de Propagació

• Mecàniques: necessiten un medi material per propagar-se (ex: el so).
• Electromagnètiques: no necessiten un medi material per propagar-se (ex: la llum).

Paràmetres que Caracteritzen una Ona

• Focus: El punt on s'origina la pertorbació.
• Cresta: El punt més alt de l'ona.
• Vall: El punt més baix de l'ona.
• Amplitud (A): L'altura màxima d'una ona respecte de la seva posició d'equilibri. Es mesura en metres.
• Longitud d'ona (λ): La distància entre dues crestes o valls consecutives. Es mesura en metres.
• Període (T): El temps que triga un punt del medi en fer una oscil·lació sencera. Es mesura en segons.
• Freqüència (f): El nombre de vibracions per segon. Es mesura en Hertz (Hz).
• Velocitat de propagació (v): La rapidesa amb què es propaga l'ona: v = λ/T = λ·f. Es mesura en m/s.

La Potència

És una magnitud física que relaciona el treball fet (o l'energia aportada) amb el temps que s'empra per fer-lo: P = W/t. S'expressa en Watts (W): 1 W = 1 J/1 s. En el món del motor s'expressa en cavalls de vapor (CV): 1 CV = 736 W.

La Potència i la Velocitat

P = W/t = F·Δx/t = F·v

El Rendiment d'una Màquina

N = W_útil/W_motor·100

Temperatura dels Cossos

• Energia interna d'un cos (U): Suma de les energies cinètica i potencial de les seves partícules.
• Temperatura: Mesura de l'energia cinètica mitjana de les partícules d'un cos.
• Zero absolut (0 K): Temperatura a la qual les partícules no es mouen: 0 K = -273,15 °C. T(K) = T(°C) + 273,15

Calor o Energia Tèrmica

És l'energia que s'intercanvia entre dos cossos a diferent temperatura o durant un canvi d'estat. La calor és energia en trànsit. Un cos té temperatura, no calor. L'equilibri tèrmic és quan dos cossos en contacte tenen la mateixa temperatura.

Efectes de la Calor sobre els Cossos

• Canvis de temperatura
• Canvi d'estat físic
• Variació de mida (dilatació/contracció)

Canvis de Temperatura

• Calor específica (c_e): Quantitat de calor per augmentar 1 K la temperatura d'1 g de substància. Es mesura en J/(g·K).
• Q = m·c_e·(T₂ - T₁) = m·c_e·ΔT

Canvis d'Estat

• Calor latent (L): Quantitat de calor per unitat de massa per produir un canvi d'estat a la temperatura d'aquest canvi d'estat: L_f (fusió), L_v (vaporització).
• Punt d'ebullició: Temperatura de canvi d'estat de líquid a gas (100 °C per a l'aigua a 1 atm).
• Punt de fusió: Temperatura de canvi d'estat de sòlid a líquid (0 °C per a l'aigua a 1 atm).

Transformació entre Calor i Treball

En un treball mecànic, una part de l'energia es transforma en calor per fregament. Aquesta energia es degrada.

Transmissió de Calor

• Conducció: Transmissió de calor en sòlids sense transport de matèria.
• Convecció: Transmissió de calor en fluids amb transport de matèria.
• Radiació: Transmissió de calor per ones electromagnètiques, sense contacte material. L'única forma de transmissió en el buit.