Fundamentos de Trabajo, Energía y Potencia en Física y Electricidad

Fundamentos de Trabajo, Energía y Potencia

El Concepto de Trabajo (W)

El trabajo ($W$) realizado por una fuerza $F$ sobre un cuerpo se define como el producto del desplazamiento $s$ por la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento. Es una magnitud escalar.

La fórmula general del trabajo mecánico es:

$$W = F \cdot s \cdot \cos(\chi)$$

Unidades de Medida del Trabajo

• Sistema Internacional (SI): Julio (J) o Newton-metro (N·m).
• Sistema Técnico: Kilopondímetro (Kpm) o kilográmetro (kgm).
• Sistema CGS: Ergio (erg) o dina-centímetro (dyn·cm).

Equivalencias de Unidades

• $1 \text{ Julio} = 1 \text{ Newton} \times \text{Metro}$
• $1 \text{ Julio} \approx 0,102 \text{ Kpm}$
• $1 \text{ Kpm} \approx 9,81 \text{ Julios}$
• $1 \text{ Julio} = 10^7 \text{ ergios}$

Trabajo Eléctrico

Se realiza trabajo eléctrico ($W$) de un julio si se mueve la carga eléctrica ($q$) de un culombio entre dos puntos cuya diferencia de potencial ($V$) es de un voltio.

La expresión fundamental del trabajo eléctrico es:

$$W = V \cdot q$$

Dado que la carga ($q$) es igual a la intensidad ($I$) por el tiempo ($t$), ($q = I \cdot t$), el trabajo eléctrico también se expresa como:

$$W = V \cdot I \cdot t$$

Energía: Capacidad para Desarrollar Trabajo

La energía es la capacidad que tiene un cuerpo o sistema para desarrollar un trabajo. La energía de un cuerpo se mide en función del trabajo que puede realizar, por lo que el trabajo y la energía se expresan en las mismas unidades (Julios en el SI).

La energía es una magnitud escalar y se rige por el Principio de Conservación de la Energía: la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Energía Potencial ($E_p$)

La energía potencial de un cuerpo es la capacidad que posee de realizar un trabajo por efecto de su estado o posición. Se calcula mediante la siguiente fórmula:

$$E_p = m \cdot g \cdot h$$

Donde $m$ es la masa, $g$ es la aceleración de la gravedad y $h$ es la altura. También puede expresarse como $E_p = W \cdot h$ (donde $W$ es el peso). Las unidades son Julios, Ergios o Kpm.

Potencia ($P$)

La potencia es la rapidez con la que se realiza un trabajo, es decir, el trabajo realizado en la unidad de tiempo.

$$P = \frac{\text{Trabajo}}{t} = \frac{W}{t}$$

De esta definición se deduce que el trabajo es igual a la potencia por el tiempo: $W = P \cdot t$.

Unidades de Potencia

• Vatio (W): $1 \text{ Vatio} = 1 \text{ Julio/segundo}$.
• Kilovatio (kW): $1 \text{ Kilovatio} = 1000 \text{ Vatios}$.
• Caballo de Vapor (CV): $1 \text{ Kilovatio} \approx 1,34 \text{ CV}$.
• $1 \text{ Caballo de Vapor} \approx 736 \text{ Vatios}$.

La Ley de Joule y el Efecto Calorífico

Descripción de la Ley de Joule

Cuando la corriente eléctrica circula por un conductor, los electrones libres chocan con los átomos o iones del material. En estos choques, los electrones pierden energía cinética, la cual es transferida a los átomos/iones, provocando que el conductor se caliente.

La Ley de Joule establece que todo cuerpo conductor recorrido por una corriente eléctrica desprende una cantidad de calor equivalente al trabajo realizado por el campo eléctrico para transportar las cargas de un extremo a otro del conductor.

Este fenómeno implica una pérdida de energía eléctrica que se convierte en calor. Esta pérdida es mayor cuanto mayor es la resistencia ($R$) del conductor y la intensidad ($I$) que lo atraviesa.

Cálculo del Trabajo Eléctrico y Calor Disipado

El trabajo eléctrico ($W$), o energía eléctrica (en Julios), que se transforma en calor en un conductor de resistencia $R$ recorrido por una corriente de intensidad $I$ durante un tiempo $t$, viene dado por:

$$W = V \cdot q = V \cdot I \cdot t$$

Aplicando la Ley de Ohm ($V = I \cdot R$), obtenemos la expresión fundamental del Efecto Joule:

$$W = I^2 \cdot R \cdot t \quad (\text{Julios})$$

Calor Desprendido ($Q$)

Para expresar esta energía en unidades de calor (Calorías), se utiliza el factor de conversión ($1 \text{ Julio} \approx 0,24 \text{ calorías}$):

$$Q = 0,24 \cdot I^2 \cdot R \cdot t \quad (\text{Calorías})$$

Aplicaciones del Efecto Joule

El efecto Joule es fundamental en numerosos dispositivos eléctricos:

• Lámpara incandescente
• Fusible
• Calentador eléctrico (resistencias)

Potencia Eléctrica y Medición

Definición de Potencia Eléctrica

La potencia eléctrica ($P$) es la energía transportada por la corriente en la unidad de tiempo. Se mide en Vatios (W).

$$1 \text{ Vatio} = \frac{1 \text{ Julio}}{1 \text{ Segundo}}$$

El aparato de medida utilizado para determinar la potencia eléctrica es el Vatímetro.

Fórmulas de Potencia Eléctrica

Partiendo de la definición general de potencia ($P = W/t$) e introduciendo la expresión del trabajo eléctrico ($W = V \cdot I \cdot t$), obtenemos la expresión básica de la potencia:

$$P = \frac{V \cdot I \cdot t}{t}$$

$$P = V \cdot I$$

La potencia disipada por una resistencia, así como la potencia disipada por cualquier otro dispositivo resistivo, se puede expresar utilizando la Ley de Ohm de otras dos maneras:

La energía (consumo de energía) se mide en Kilovatio-hora ($ ext{kW}\cdot\text{h}$) y la potencia en Kilovatios ($ ext{kW}$). A continuación, se muestran las tres maneras de calcular la potencia eléctrica:

Conceptos Relacionados

• Carga Eléctrica: $q = I \cdot t$
• Trabajo Eléctrico: $W = V \cdot I \cdot t$