Energía

Al dejar una manzana sobre la mesa, por unos días es notorio observar que esta ha cambiado su estado original, lo mismo ocurrirá con el mueble, que a diferencia de la manzana tardará más tiempo en manifestar cambios observables para nosotros, nosotros mismos experimentaremos cambios, esto se debe a que la evidencia de la existencia de materia es que esta presenta movimiento, que en nuestro ejemplo el movimiento es obviamente interno, por tanto aquello que produce cambios en la materia se le conoce como energía, que de acuerdo a Einstein (teoría de la relatividad de 1905, la masa (materia) y la energía son equivalentes en el universo, hoy en día demostrada) es que "una masa proviene de energía", que a lo de hoy se une el concepto de que la energía es masa disipada (materia insustancial). El termino energía proviene del latín energīa, y este del griego ἐνέργεια que significa en forma figurativa, poder, virtud para obrar y físicamente es la capacidad para realizar un cierto trabajo, que se mide en unidades Julios (J), además de ser aquella que existe en un medio físico, la energía y su acción se puede representar así:



Existen diversos tipos de energía, de las cuales las más importantes son:

1. Energía cinética (Ek).- Es una forma de energía dependiente del movimiento relativo que posee un cuerpo respecto de un sistema referencial, siendo por tanto una energía relativa, se calcula así:


donde: "m" es la masa del cuerpo y "V" es la velocidad del cuerpo.
veamos algunos ejemplos en la cual la energía cinética esta presente.


2. Energía potencial.- Es una forma de energía dependiente de la posición de un cuerpo respecto del nivel de referencia, por lo que podemos aseverar que se trata de una energía relativa, este tipo de energía se presenta en dos formas:

2.1. Energía potencial gravitatoria (Ep = Epg): es aquel tipo de energía que presenta un cuerpo debido a la altura, h, en la cual se encuentra, con respecto de un plano de referencia horizontal; esta energía se define como el trabajo que realiza el peso (W) del cuerpo al desplazarse éste de la ubicación en la cual se encuentra, hasta el plano horizontal de referencia. Esta energía se calcula así:

Ep = m.g.h

donde: "m" es la masa del cuerpo, g = aceleración de la gravedad (9,8m/s2)
Observemos ejemplos de energía potencial gravitatoria.

2.2. Energía potencial elástica (Epe): es la energía que posee un cuerpo sujeto a un resorte comprimido o estirado, esta se calcula así:
donde: k = constante de elasticidad del resorte (depende de la calidad del resorte)

siendo "x" la elongación del resorte.
Veamos algunas aplicaciones de la energía potencial elástica:


Hasta aquí hemos observado dos tipos de energía (cinética y potencial, Ep y Epe), la suma de estas energías respecto de un cuerpo en análisis determinan la energía mecánica total del cuerpo. El incremento de la energía mecánica total es igual al trabajo de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo sin considerar a la energía potencial elástica; así, veamos a que me refiero:


Ejemplo: Un cuerpo de 5,75kg de masa se encuentra en reposo a una altura de 0,225km sobre el piso; de acuerdo a la información, calcule la energía potencial, cinética y mecánica cuando se encuentre a una altura después de transcurrido tres segundos.

Para la resolución es necesario transformar 0,225km a metros, aplicamos F.U.C y tendremos:


Ahora graficaremos adecuadamente, con la información disponible:


Al transcurrir tres segundos, la nueva altura será h1, la cual se calcula así:

Esa formula la reemplazaremos por: h = 225 - h1; Vi = 0 (reposo)
el valor de g (en la tierra) es: 9,8m/s2; t = 3seg.
el resultado será:
de: 225 - h1 = 44,1; se obtiene: h1 = 180,9m (es práctico colocar la unidad al final)
Ahora podemos calcular la energía potencial, Ep, empleando la formula y reemplazando:

Ep = 5,75.(9,8).180,9 = 10 193,715kg.m2/s2 = 10 193,715J

Para el caso de la Ek, es necesario conocer la velocidad (V1), por lo que emplearemos la formula:

V1 = Vi + g.t

de esta formula, reemplazamos, así: V1 = 0 + 9,8.(3) = 29,4m/s
Ahora empleamos la formula del calculo de la Ek:


Finalmente nos piden la energía meánica (EM), el cual como sabemos se calcula como la suma de la Ep y Ek, por lo que tendríamos:
EM = 10 193,715J + 2 485,035J = 12 678,75J

OBSERVACIÓN: La energía mecánica se conserva, cuando las fuerzas que actúan sobre un cuerpo son conservativas, la energía mecánica (EM) del cuerpo permanece constante, es decir tanto al inicio (i) como al final (f), cumpliéndose: EMi = EMf. Así el caso general de la conservación de la energía desarrollada por Meyer - Joule, postula: "la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de una forma a otra".

3. Energía eólica.- Es una aplicación de la energía cinética, se produce por la acción de los vientos, la cual es transformada en otros tipos de utilidades para el hombre, considerada como tecnología verde, pues no contamina el medio ambiente, siendo un recurso renovable.

4. Energía eléctrica (E).- Se genera por la diferencia de potencial (voltaje) entre dos puntos distintos que se situan al desplazarse los electrones o partículas cargadas, esta puede transformarse en energía luminosa, mecánica y térmica. Esta se calcula así:
E = V.q
Donde: "V" es voltaje y "q" es carga eléctrica

5. Energía Luminosa.- Es la energía percibida de la energía transportada por la luz visible (observada por el ojo del ser humano), la cual se manifiesta en la materia en diferentes formas, puede arrancar los electrones de una placa metálica produciendo una energía umbral o trabajo, puede manifestarse como una onda electromagnética.


5. Energía radiante.- Es la energía que depende solo de la intensidad de la luz y de su espectro (color), por lo que la energia radiante esta presente en las diferentes ondas electromagnéticas, como los rayos gamma, rayos ultravioleta, luz visible, microondas.

6. Energía calorífica.- Es aquella que se transfiere en forma de calor el cual es originada por el movimiento molecular de los cuerpos, esto se puede observar en cuerpos con distintas temperaturas, donde el de mayor temperatura se iguala con el de menor temperatura si se ponen en contacto, existirá una transferencia de calor que cesara al equilibrarse sus temperaturas.

6.1. Transferencia y medida de calor: la cantidad de calor transferido en un proceso físico se expresa generalmente en calorías (cal) o en la unidad S.I. Julios (J), ambas nos representan cantidades muy pequeñas de energía, que se relacionan así: 1 cal = 4,184 J

La capacidad calorífica, C, es la cantidad de calor necesario para aumentar la temperatura de un cuerpo en 1K (10C); y esta se calcula así:


mientras que el calor específico (Ce) es una propiedad que caracteriza a una sustancia, siendo la cantidad de calor necesario para elevar en 1K la temperatura de una sustancia, sin cambio de fase, ambas se relacionan así:
donde: "m" es la masa del cuerpo
De esta se obtiene la siguiente formula:

El "Ce" de una sustancia difiere para las fases sólida, líquida y gaseosa, por ejemplo el Ce de hielo es 2,09J/g.0C; cerca de los 00C, para el agua líquida es 4,16J/g.0C; mientras que para el vapor es 2,03J/g.0C; cerca de los 1000C, el Ce del agua es muy elevado.

Para una mezcla (sistema), en un recipiente térmicamente aislado (no sale, ni entra calor, Q) debe ocurrir un equilibrio térmico, en la cual debe cumplirse que:

Q ganado = Q perdido

Ejemplo: ¿Cuánto es el calor que se necesita para cambiar la temperatura de 218,5g de plomo, de 100C a 350C, sabiendo que el Ce (Pb) es 0,031cal/g.0C?

Nos piden el valor del calor necesario "Q", para ello nos dan el Ce (Pb), su masa igual a 218,5g y la variación de su temperatura de 100C a 350C, el cual resulta igual a 250C. Reemplazamos los datos en la formula:
Entonces el valor de "Q" resultará 169,34cal

7. Energía sonora.- Conocida como energía acústica, es aquella energía que transmiten o transportan las ondas sonoras (son ondas mecánicas, pues dependen de un medio material para transportarse) que proceden de una fuente de energía vibracional.


8. Energía nuclear.- Conocida como energía atómica, es aquella energía que se libera o emite en forma espontánea (natural) o inducida (artificial) en los procesos de reacciones nucleares, para que esto suceda el núcleo del átomo debe transformarse. Esta se calcula así:


donde: "m" es la masa critica o transformada y "C" es la velocidad de la luz (300 000km/s)

9. Energía química (Eq).- Se produce en los procesos de reacciones químicas de las sustancias, así por ejemplo en un auto se necesita de la bateria para encenderlo y esto se logra por procesos quimicos que ocurren con el ácido sulfúrico, para luego combustionar la gasolina y poner en movimiento el auto. Esta se calcula de acuerdo a la siguiente formula:

Eq = (valencia) . (afinidad)

10. Energía biológica.- Es aquella generada en todo ser vivo, por ejemplo la formación del adenosin trifosfato, ATP, como unidad de energía ("moneda de energía") fundamental de las células.


Las diferentes clases de energía pueden transformarse de una en otra, así tenemos que la energía cinética se transforma en potencial y viceversa, o cuando la energía eléctrica llega a un equipo de sonido se puede observar que transforma en energía luminosa por que al presionar el control remoto se encienden los led´s generando un sonido debido al volumen que le estamos dando, la música entrará en acción que si encendemos la lectora de dvd esta girara generando energía mecánica, despues de un cierto tiempo observaremos que el equipo comenzará a calentarse produciéndose energía calorífica. La energía entonces, en un sistema, es constante.



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