Fundamentos de la Energía y sus Transformaciones en Física

¿Qué es la Energía? Conceptos Fundamentales

La energía no es una propiedad única de los cuerpos materiales y no es una sustancia que se pueda ver, oler o palpar. Los cuerpos tienen energía porque son capaces de producir cambios a su alrededor. La energía es una magnitud escalar que mide la capacidad de producir cambios en los sistemas en los que interviene. En el Sistema Internacional (SI), se mide en julios (J).

Tipos de Energía

Energía Mecánica

• Energía cinética: Es la energía que tienen los cuerpos por el hecho de estar en movimiento.
• Energía potencial: Es la energía que tienen los cuerpos por ocupar una determinada posición.
  • Gravitatoria: Es la energía que tienen todos los cuerpos por encontrarse dentro de un campo gravitatorio.
  • Elástica: Es la energía que sufren los cuerpos elásticos cuando se deforman.

Otras formas de energía

• Energía térmica: Es la energía que se transfiere en forma de calor cuando se ponen en contacto dos cuerpos a diferente temperatura.
• Energía nuclear: Es la energía que liberan los átomos cuando sus núcleos se unen (fusión) o se rompen (fisión).
• Energía química: Es la energía debida a los enlaces que se establecen entre los átomos y demás partículas que forman las sustancias.
• Energía radiante: Es la energía que se propaga mediante ondas (ej. rayos X, luz).

Leyes y Principios de Conservación

Ley de conservación de la energía

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Se dice que la energía se ha degradado porque ha perdido su capacidad para realizar trabajo.

Principio de conservación de la energía mecánica

En ausencia de fuerzas exteriores, la energía mecánica de un cuerpo se mantiene constante. Todas las fuerzas son exteriores menos las asociadas a una energía potencial.

Calor y Termodinámica

Calor

El calor se define como energía en movimiento.

Calor específico de una sustancia

Es una propiedad propia de cada sustancia. Se define como el calor necesario para aumentar en 1 °C la temperatura de 1 kg de sustancia.

Caloría

Es una unidad de energía en movimiento. Una caloría es la cantidad de calor que hay que suministrarle a 1 g de agua para que aumente su temperatura 1 grado.

Trabajo y Potencia

Trabajo

• Trabajo 1: El trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo modifica la energía cinética de dicho cuerpo.
• Trabajo 2: El trabajo realizado por una fuerza exterior que actúa sobre un cuerpo modifica la energía mecánica de dicho cuerpo.

Potencia

Es la relación existente entre el trabajo realizado por un cuerpo y el tiempo invertido en realizarlo.

Fórmulas y Expresiones Matemáticas

Energía Mecánica

Energía Mecánica (Em) = Cinética (½mv²) + Potencial Gravitatoria (mgh) + Elástica (½kx²)

Trabajo y Potencia

• Trabajo (W) = F · Δs · cos(α) = Potencia · Tiempo
• Trabajo de la Fuerza Resultante: F · Δs · cos(α) = ½mv² - ½mv₀²
• Trabajo de la Fuerza Exterior: Fext · Δs · cos(α) = Em - Em₀
• Potencia = W / t

Cambios de Estado y Equilibrio Térmico

• Cambios de Estado: Q = (M_hielo · Ce_hielo · ΔT) + (M_hielo · L) + (M_hielo · Ce_h2o · ΔT)
• Equilibrio Térmico: Qc + Qa = 0
• Ecuación General: Ma · Ce_h2o · ΔT + Mb · Ce_h2o · ΔT = 0
• Calor (Q): Q = M · Ce · ΔT