Principios de Mecánica, Conservación de la Energía y Fenómenos Térmicos

Trabajo y Potencia

Trabajo (W): Es una magnitud escalar cuyo valor se obtiene multiplicando el módulo de la fuerza aplicada por el desplazamiento realizado.

Fórmula: W = F · s

Nota importante: Si no hay desplazamiento, no se realiza trabajo; en ese caso, se consideraría únicamente como un esfuerzo.

Tipos de Trabajo

• Trabajo positivo: La fuerza (F) aporta energía cinética (E_c) al cuerpo.
• Trabajo negativo: La fuerza (F) resta energía cinética (E_c) al cuerpo.
• Trabajo nulo (W = 0): La fuerza no aporta ni resta energía cinética (E_c) al cuerpo.

Potencia

Potencia (P): Es una magnitud escalar que relaciona el trabajo efectuado con el tiempo invertido en realizar dicho trabajo, o bien, el cambio de energía por unidad de tiempo.

La Energía

Energía: Es la capacidad que posee un cuerpo para producir cambios en sí mismo o en otros cuerpos. Se clasifican según las causas por las que se produzcan dichos cambios.

Tipos de Energía

• Cinética
• Potencial
• Mecánica
• Interna
• Luminosa

Características de la Energía

• Se presenta en distintas formas.
• Se puede transferir entre cuerpos.
• En unas formas es más aprovechable que en otras.
• Se puede transportar con o sin transporte de materia.
• Siempre se conserva.

Formas de Energía Mecánica

Energía Cinética (E_c)

Es una magnitud escalar que expresa la energía puesta en juego por un objeto debido a su estado de movimiento.

Energía Potencial Gravitatoria (E_p)

Es una magnitud escalar que representa la energía que puede intercambiar un objeto debido a su posición respecto a la Tierra. Depende de la altura y no del camino seguido.

Energía Potencial Elástica (E_p)

Es aquella que adquieren los cuerpos sometidos a la acción de fuerzas elásticas o recuperadoras.

Energía Mecánica (E_m)

Es la suma de las energías cinética y potencial asociadas a un cuerpo.

Leyes de Conservación

Ley de Conservación de la Energía Mecánica (E_m)

En aquella transformación en la que la única fuerza que actúa sobre el objeto es el peso, la energía mecánica permanece constante.

Ley de Conservación de la Energía

Es imposible que solo actúe el peso sobre un cuerpo, ya que existen fuerzas externas (fuerzas que actúan sobre el cuerpo, como la energía interna (E_i) o la fuerza de rozamiento (F_roz)).

La actuación de estas fuerzas supone una variación de la energía mecánica (E_m), que será igual al trabajo efectuado por las fuerzas exteriores sobre el cuerpo. La energía total permanece constante: la suma de la energía disipada y la energía restante es siempre constante.

Degradación de la Energía

Se refiere a la pérdida de energía útil. Aunque la energía se conserva en los cambios, tiende a transformarse en energía térmica (E_T), la cual es menos aprovechable.

Termodinámica y Fenómenos Térmicos

Temperatura (T)

Representa el valor medio de la energía cinética de las partículas que constituyen un cuerpo.

Calorímetro

Es un aparato que mide el calor que se gana o se pierde en un proceso. Está aislado, por lo que ni entra ni sale energía del sistema. Si hay agua a una temperatura conocida y añadimos un objeto a otra temperatura conocida, podemos obtener la energía transferida.

Calor (Q)

Es una manifestación de energía. Se define como la energía que se intercambia entre dos cuerpos como consecuencia de una diferencia de temperatura.

Equilibrio Térmico

Si tenemos dos cuerpos donde T₂ > T₁, alcanzarán una T (temperatura de equilibrio). Esta transmisión de calor puede llevarse a cabo por tres mecanismos:

• Conducción: Se produce sin transporte de materia. Es propio de los sólidos (especialmente metales).
• Convección: Se produce con transporte de materia. Es propio de gases y líquidos.
• Radiación: Se produce sin necesidad de un medio de propagación, transmitiéndose por ondas electromagnéticas (ejemplo: del Sol a la Tierra). Todos los cuerpos calientes emiten radiación.

Propiedades Térmicas y Rendimiento

• Calor específico: Es la cantidad de calor que intercambia un kilogramo de una sustancia para que su temperatura se modifique en 1 K (Kelvin). Para el agua, este valor es de 4180 J/(kg·K).
• Calor latente: Es el calor intercambiado por 1 kg de una sustancia al cambiar de estado.
• Poder calorífico: Es la cantidad de energía desprendida en una reacción de combustión, referida a la unidad de masa del combustible.
• Rendimiento: Mide qué parte de la energía que se le suministra a una máquina se aprovecha, considerando que una parte siempre se pierde debido al rozamiento y otros factores.