Fundamentos de la Energía: Conceptos, Fórmulas y Tipos Físicos Esenciales

¿Qué es la Energía?

Es la magnitud física que permite cuantificar la capacidad de los cuerpos para realizar cambios en el entorno o sobre sí mismos, mediante la transferencia de calor o la realización de trabajo. Su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el Julio (J).

Formas de Energía

• Energía Mecánica:
  • Cinética: Asociada al movimiento de un cuerpo.
  • Potencial: Asociada a la posición o configuración del cuerpo.
• Energía Térmica: Debida a la agitación térmica de las partículas que componen la materia.
• Energía Nuclear: Asociada a la estructura atómica y a las fuerzas que unen el núcleo.
• Energía Química: Asociada a los enlaces que forman los átomos en las moléculas.
• Energía Eléctrica: Asociada al movimiento de los electrones a través de un conductor o a la presencia de cargas eléctricas.

Características de la Energía

La energía presenta diversas propiedades fundamentales:

• Se transfiere, transporta, almacena y transforma.
• Siempre se conserva (Principio de Conservación).
• Se degrada (aumentando la entropía).
• No puede medirse directamente, sino a través de sus efectos.

Trabajo (W)

El trabajo realizado por una fuerza constante sobre un cuerpo es el producto de la fuerza efectiva por el desplazamiento que sufre el cuerpo.

$$W = F_{\text{efectiva}} \cdot \Delta r = (F \cdot \cos \alpha) \cdot \Delta r$$

Trabajo Neto

En un sistema en el que actúan $n$ fuerzas ($F_1, F_2, F_3, \dots, F_n$), el trabajo total realizado por dichas fuerzas será la suma algebraica de los trabajos individuales:

$$W_{\text{total}} = W_1 + W_2 + \dots + W_n$$

Potencia (P)

Magnitud escalar que mide la rapidez a la que se realiza un trabajo.

Su unidad en el SI es el Vatio (W), pero también se puede medir en unidades como el Caballo de Vapor (CV) o el Horsepower (HP, en inglés).

$$P = \frac{W}{\Delta t}$$

• 1 CV $\approx$ 735 W
• 1 HP $\approx$ 745.7 W

Energía Mecánica

La energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial de un cuerpo o sistema.

Energía Cinética ($E_c$)

Energía asociada a la velocidad de un cuerpo.

$$E_c = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$$

Energía Potencial ($E_p$)

Energía asociada a la posición o configuración (asociada a una fuerza conservativa).

• Potencial Gravitatoria ($E_{pg}$):

  $$E_{pg} = m \cdot g \cdot h$$

  (Ejemplo: Un balón situado a cierta altura sobre el suelo).
• Potencial Elástica ($E_{pel}$):

  $$E_{pel} = \frac{1}{2} \cdot k \cdot x^2$$

  (Ejemplo: Un muelle comprimido o estirado).

Energía Térmica y Calor

La energía térmica es la suma de todas las energías cinéticas de las partículas que forman un sistema.

Temperatura

Es una medida de la energía cinética media con la que se mueven las partículas de dicho sistema material.

Escalas de Temperatura

• Celsius ($^{\circ}\text{C}$)
• Fahrenheit ($^{\circ}\text{F}$)
• Kelvin (K)

La relación entre las escalas Celsius y Fahrenheit es:

$$9 \cdot T_{\text{C}} = 5 \cdot (T_{\text{F}} - 32)$$

El incremento de temperatura que corresponde a un Kelvin es el mismo que el que corresponde a un grado Celsius. La relación entre la escala Kelvin y la Celsius es:

$$T_{\text{K}} = T_{\text{C}} + 273.15$$

Calor (Q)

Es la energía en tránsito que fluye desde un sistema material que se encuentra a una determinada temperatura ($T_1$) a otro que está a menor temperatura ($T_2$).

Propagación del Calor

• Por Radiación
• Por Conducción
• Por Convección

Efectos del Calor

• Dilatación
• Calor Específico ($c$)
• Calor Latente ($L$)

Dilatación

Es el aumento de volumen de un cuerpo cuando se eleva su temperatura. Para la dilatación lineal:

$$L = L_0 (1 + \alpha \cdot \Delta T)$$

Donde $\alpha$ es el coeficiente de dilatación lineal.

Calor Específico ($c$)

Es la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de una unidad de masa en un grado. Su unidad común es $\text{J}/(\text{g} \cdot {}^{\circ}\text{C})$ o $\text{J}/(\text{kg} \cdot \text{K})$. El calor que provoca un cambio de temperatura se denomina calor sensible:

$$Q = m \cdot c \cdot (T - T_0) = m \cdot c \cdot \Delta T$$

Calor Latente ($L$) y Cambio de Estado

El calor latente es la energía requerida para que una sustancia cambie de fase sin cambiar su temperatura.

• Calor Latente de Fusión ($L_f$)
• Calor Latente de Vaporización ($L_v$)

La fórmula general para el cambio de estado es:

$$Q = m \cdot L$$