Enerxías
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X.MANUEL BESTEIRO ALONSO Colexio Apostólico Mercedario VERÍN
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X.MANUEL BESTEIRO ALONSO
Colexio Apostólico Mercedario
VERÍN
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: TRABAJO
Física y Química
4.º ESO
Los sistemas físicos tienen energía
Se denomina sistema físico a cualquier parte del universo que se puede elegir de forma individualizada como objeto de estudio
Los procesos de cambio en la naturaleza necesitan energía, la cual se presenta de diversas formas
CINÉTICAasociada al movimiento
POTENCIALasociada a la
posición
QUÍMICAalimentos y
combustibles
RADIANTEsuministrada por
la luz
ELÉCTRICA
Ex: batería
NUCLEAR LUMINOSA
Ex Bombilla
SONORA
La energía es una propiedad de los cuerpos y sistemas físicos que les permite experimentar cambios en ellos y en otros (Les permite realizar un trabajo). Puede presentar diversas formas y transformarse de una a otra
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: TRABAJO
Física y Química
4.º ESO
Características de la energía
Puede transferirse de unos sistemas a otros mediante trabajo o calor
Puede ser almacenada y transportada
Un sistema físico que no intercambia energía con ninguno de los sistemas físicos que lo rodean se denomina
sistema aislado
Se conserva
en los cambios
Se degrada
al pasar de unas formas a otras menos
útiles
LA ENERGÍA
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: TRABAJO
Física y Química
4.º ESOFormas de transferir la energía
Las transferencias de energía entre sistemas se pueden llevar a cabo mediante dos formas posibles
TRABAJO
CALOR
La unidad de energía en el Sistema Internacional es el julio (J)
Es un método de transferencia energética entre sistemas donde intervienen fuerzas que provocan desplazamientos
Es un método de transferencia energética entre sistemas por el solo hecho de una diferencia de temperaturas entre ellos
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º E.S.O.
La energía mecánica
Energía cinética
Energía potencial
Energía mecánica
Se denomina energía mecánica de un cuerpo a la que posee en virtud de su velocidad o de su posición.
Puede ser cinética, potencial o la suma de ambas
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º E.S.O.
Energía cinética
vm21E 2
c
La bala tiene mucha energía cinética por salir con velocidad muy elevada
El tren tiene mucha energía cinética por tener una gran masa
Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su estado de movimiento
Es directamente proporcional a la masamasa del cuerpo y al cuadrado de su velocidadvelocidad.
Todo cuerpo en movimiento tiene capacidad de realizar un trabajo, el cual se pone de manifiesto cuando el objeto se detiene bruscamente (estrellándose por ejemplo). Dicha energía se invierte en un trabajo de destrozo.
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º ESO
Energía potencial
Un muelle estirado tiene energía almacenada, llamada energía potencial elástica,
Ep = m g h
h1
m1
h2
m2
Si m1 = m2 y h2 h1 EpEp 12
Un combustible, posee energía potencial química capaz de liberar calor
Un condensador cargado almacena energía potencial eléctrica capaz de encender una lámpara
Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su posición
Esta energía es debida a la posición que ocupan los cuerpos respecto al centro de la Tierra. Por eso se llama energía potencial gravitatoria
Hay otras clases de energía potencial, como por ejemplo:
Epe = 1/2K.x2
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: TRABAJO
Física y Química
4.º ESO
El trabajo como forma de transferir energíaEl valor del trabajo T realizado por la fuerza F sobre un cuerpo se puede calcular con el
producto del módulo de la fuerza por el desplazamiento r de su punto de aplicación
El trabajo de una fuerza sobre un cuerpo puede ser Positivo o trabajo motor, cuando se incrementa la energía del cuerpo Nulo, cuando la fuerza es perpendicular a la dirección del desplazamiento Negativo o trabajo resistente, cuando la energía del cuerpo disminuye
La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el julio (J)
El trabajo realizado por una fuerza sobre un sistema es una forma de variar la energía del mismo, así pues, la energía y el trabajo se miden en las mismas unidades
r
W = W = FF · · rr = | = |FF|·||·|rr| · cos | · cos
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4ºESO
Representación gráfica del trabajo
X
F
O
Fx
W Área =
Fx.x
Una fuerza constante Fx actúa en la dirección del eje X sobre un cuerpo y lo desplaza en esa misma dirección: x = xf x0
Al representar Fx en función de x, el área comprendida será Fx x, que coincide numéricamente con el trabajo realizado por la fuerza
Este resultado es válido aunque la fuerza no sea constante
xxo x1
Trabajo. Convenio de signos
Sistema W>0W<0
Trabajo realizadosobre el sistema
Trabajo realizadopor el sistema
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º ESO
Trabajo y energía cinética
x0 x1x
v0
F
Fvf
Y
X W = Fx x cos 0 = Fx x
Fx = m ax W = m ax x
xa2vv x22
f 0
W = Ec
EcEcvm21vm
21
2vv
mW 000f
22f
22f
El trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo se emplea en variar la energía cinética del mismo
El trabajo realizado por Fx(Constante) cuando el cuerpo experimenta un desplazamiento x es:
TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVASTEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4ºESO
Trabajo y energía potencial gravitatoria
y1
y2
x
F
P
v = cte m
Se quiere elevar a v = cte un objeto de masa m situado sobre una mesa de altura y1 hasta una estantería de altura y2
Debemos realizar una fuerza hacia arriba igual al peso m g, desplazándolo una distancia y
El trabajo realizado por la fuerza será:Wf = F y = m g y = m g y2 m g y1
Wf = Ep2 Ep1 = Ep
Como v = cte, el trabajo total será cero, luego el trabajo realizado por el peso del cuerpo será:
Wp = Wf = Ep El trabajo realizado en elevar un cuerpo se emplea en
aumentar su energía potencial gravitatoria
•
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º ESO
Trabajo y energía potencial elástica
•
Fx
X
x2x1
v = cte
x
W
Área XO
Fx = k.x
x
Sea un objeto solidario con el extremo de un muelle situado sobre una mesa sin rozamiento. Estiramos el muelle una longitud x aplicando una fuerza Fx que lo hace avanzar a v = cte. Fx es una fuerza variable y su trabajo es el área bajo la gráfica F x
)x(k21
W2
x.k.x2h.b
w 2
felástica
Su valor es:
El trabajo realizado para estirar o comprimir el muelle es: W = Ep
El trabajo realizado por la fuerza elástica es: Wf elástica = Ep
5TRANSFERENCIA DE ENERGÍA:
TRABAJO8
Física y Química
4.º ESO
Principio de conservación de la energía mecánica (I)
La energía mecánica total (EMT) de un cuerpo es la suma de su energía cinética y de su energía potencial
EMT = EC + EP
Si no hay fuerzas de rozamiento, la EMT de un cuerpo se mantiene constante
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: TRABAJO
Física y Química
4.º ESO
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA (I)
Por ejemplo: si un cuerpo de masa m se encuentra a una altura h1 con una velocidad v1 dirigida hacia abajo, y al cabo de cierto tiempo se encuentra a una altura h2 con una velocidad v2 también hacia abajo, se tiene según las ecuaciones del m.r.u.a
v2 2 – v12 = 2g(h1– h2) (g = gravedad)
mv2 2 – mv12 = mgh1 – mgh2
12
1
2
12multiplicando por m
y reagrupando términos
mv12 + mgh1 = mv2
2 + mgh2 12
12
EC1 + EP1 = EC2 + EP2 = EMT
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4ºESO
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA
Punto 1
Punto 2
h
h1
h2
m Un objeto de masa m cae al vacío desde una altura h . Calculamos la Ec y Ep en dos puntos 1 y 2 del recorrido
En el punto 1)hh(g2v
11
vm21Ec
2
11
Ec1 = m g (h h1)
Ep1 = m g h1
En el punto 2
)hh(g2v 22
vm21Ec
2
22
Ec2 = m g (h h2)
Ep2 = m g h2
Ec = Ec2 Ec1 = m g (h1 h2)Ep = Ep2 Ep1 = m g (h2 h1)
Ec1 + Ep1 = Ec2 + Ep2
Si las únicas fuerzas que realizan trabajo sobre un cuerpo son conservativas (como el peso o la fuerza elástica), su energía mecánica se mantiene constante
= 0
V0 = 0
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: TRABAJO
Física y Química
4.º ESO
Principio de conservación de la energía mecánica (II)
En ausencia de rozamiento, la energía mecánica de un cuerpo se conserva, pero si hay rozamientos, parte de la energía se disipa
caloríficamente
La bola disipa energía mecánica por rozamiento y termina parándose
Exemplo: Lanzamos verticalmente unha pelota cunha velocidade de 10 m/s. Demostrar cal será a altura máxima usando o principio de conservación da enerxía mecánica.
Ec = ½ m v2 = ½ m·(10 m/s)2 = 50 m m2/s2
Como a enerxía cinética se transformará en potencial
Ep = m g h = 50 m m2/s2
Eliminando la masa “m” en ambos membros e despexando “h”
50 m2/s2 h = ———— = 5,1 m
9,8 m/s2
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º ESO
Disipación de la energía mecánica: ROZAMENTO
A pesar del muelle del saltador, también el niño acaba por detenerse. El rozamiento disipa su energía
La energía mecánica no se conserva cuando se tiene en cuenta el rozamiento
El rozamiento siempre se opone al movimiento y produce un trabajo negativo. Esto origina inevitablemente una pérdida de energía mecánica
Ec + Ep = Wfr
Como la energía calorífica es una forma menos útil de la energía al no ser posible reconvertirla totalmente, se dice que debido al rozamiento, la energía se disipa
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: TRABAJO
Física y Química
4.º ESO
Rapidez en la transferencia de energía: LA POTENCIA
El valor numérico del trabajo realizado por una fuerza es independiente del tiempo empleado en realizarlo, por lo que es conveniente definir una
nueva magnitud
Es la energía transferida en cada unidad de tiempo durante una transformación, es decir, el trabajo realizado por unidad de tiempo
LA POTENCIA
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º ESO
Trabajo y potencia
Los dos hombres elevan el mismo peso a la misma altura.
Realizan el mismo y trabajo pero en distinto tiempo
A veces interesa más conocer la rapidez con que se efectúa un trabajo que el valor del mismo
Se define potencia media como el trabajo realizado por unidad de tiempo, es decir:
tWPm
Utilizando su potencia máxima, el coche tiene que disminuir su velocidad para subir la cuesta . Cambiando a marchas cortas, se consigue aumentar su fuerza
Sea una fuerza constante que actúa sobre un cuerpo en la misma dirección que el desplazamiento que produce
F
r
El trabajo realizado es: W = F r cos 0 = F r
La potencia será: vFtrF
tWP mm
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: TRABAJO
Física y Química
4.º ESO
Rapidez en la transferencia de energía: LA POTENCIA
P = E
t=
T
t
La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio (W)
1 W = 1 J1 s
Otras unidades de potencia son1 kW = 1000 W1 MW = 106 W1 CV = 735 W
El kilovatio-hora (kWh) es una unidad de energía y de trabajo
1 kWh = 1 kW · 1 h = 1000 J/s · 3600 s = 3,6·106 J
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º ESO
Unidades de trabajo y potencia
Unidades de potencia
En el S.I. es el J/s que recibe el nombre de vatio ( W )
Otras unidades:1 kW = 1000 W
1 CV = 735 W
Unidades de trabajo
En medidas eléctricas: 1 kW . h = 1000 W . 3600 s = 3 600 000 J
En el S.I. es el N . m que recibe el nombre de julio ( J )
TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: TRABAJO
Física y Química
4.º ESO
Rendimiento de las máquinas
Las máquinas no transforman íntegramente en trabajo útil la energía que se les suministra
Trabajo útil < Energía suministrada
La energía disipada mediante calor no se
aprovecha como trabajo útil
El rendimiento de una máquina se calcula con el cociente entre el trabajo útil que proporciona dicha máquina y la energía que se le ha suministrado
r = Trabajo útil
Energía suministrada
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º ESO
Unidades de trabajo y potencia
Unidades de potencia
En el S.I. es el J/s que recibe el nombre de vatio ( W )
Otras unidades:1 kW = 1000 W
1 CV = 735 W
Unidades de trabajo
En medidas eléctricas: 1 kW . h = 1000 W . 3600 s = 3 600 000 J
En el S.I. es el N . m que recibe el nombre de julio ( J )
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º ESO
Aplicación del cálculo de la potencia de un motor
Un motor eléctrico se utiliza para sacar agua de un pozo de 30 m de profundidad, a razón de 600 litros por minuto. Sabiendo que el rendimiento de la bomba es del 85% de la potencia del motor, calcular la potencia efectiva del motor en CV y la potencia teórica
El trabajo realizado por la bomba es
W = m g h = 600 . 9,8 . 30 = 176400 J
La potencia efectiva del motor es
Un rendimiento del 85% de la potencia del motor, significa que para obtener esa potencia, el motor debe consumir una potencia teórica:
W940260
400176t
WPefectiva
W = 176400 J
W9402Pefectiva
W3459P85,0
PP.PP teóricaefectivateóricateóricaefectiva
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4º ESO
APLICACIÓN DEL PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA ( I )
Un péndulo de longitud = 20 cm y masa 100 g cae desde una posición inicial horizontal. ¿Cuál es su velocidad en el punto más bajo?
A
Bv
v
T
p
v
T
p
p
0hgm00vm21
A
2B
s/m98,1vs/m98,12,0.8,9.2hg2v BAB
Ec + Ep = 0 EcB EcA + EpB EpA = 0
Tomamos como origen de alturas el punto B
La única fuerza que realiza el trabajo es el peso
La tensión realiza un trabajo nulo por ser perpendicular a la velocidad (y al desplazamiento)
Por ser el peso una fuerza conservativa:
hA =
ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO Física y Química4ºESO
Aplicación del principio de conservación de la energía ( II )¿Desde qué altura mínima tiene que soltarse un cuerpo en el rizo de la figura
para que pueda alcanzar el punto más alto? ¿Y para que pueda dar una vuelta entera sin caerse? Considerar despreciable el rozamiento
A
h
R
a) Altura mínima La velocidad mínima con que
puede llegar al punto más alto es vf = 0
Ec + Ep = 0
(0 0) + m g ( 2R h) = 0
h = 2R
b) Velocidad mínima en el punto más alto para que pueda dar una vuelta entera
Fcf = Fpeso gRvgRvgmRvm 2
2
Ec + Ep = 0
0)hR2(gm0gRm21
R25h
