Trabajo, potencia, conservación de la energía, calor y temperatura

1. TRABAJO Y ENERGÍA Física y química 1º Bachillerato Carmen Peña IES. Altaír Getafe

2. EL TRABAJO Se define el trabajo W de dicha fuerza como el producto escalar de los vectores fuerza y desplazamiento: A B   X Y O Cuando una fuerza constante aplicada sobre un cuerpo, lo mueve desde el punto A a otro B, se denomina trabajo realizado por la fuerza sobre el cuerpo, al producto:      Según sea el ángulo formado entre la fuerza aplicada y el vector desplazamiento:  Si  = 0º  cos 0º = 1  el trabajo realizado es máximo  Si 0º    90º  W  0  es el llamado trabajo motor  Si  = 90º  cos 90º = 0  el trabajo realizado es nulo  Si 90º    180º  W  0  es el llamado trabajo resistente 

3. Este resultado es válido aunque la fuerza no sea constante POTENCIA La Potencia mide la rapidez con que se realiza un trabajo se mide en J/s= vatios (w) El caballo de vapor es una unidad de potencia, que aunque no pertenece al S.I. sigue siendo muy usada. 1CV = 735 w. La potencia puede expresarse en función de la velocidad X F O F x W  Área = F x .  x  Una fuerza constante F x actúa en la dirección del eje X sobre un cuerpo y lo desplaza en esa misma dirección:  x = x f  x 0  Al representar F x en función de  x, el área comprendida será F x  x, que coincide numéricamente con el trabajo realizado por la fuerza  x x o x 1

4. ENERGÍA La energía es una cualidad de los cuerpos que permite que se puedan producir cambios en ellos mismos y en otros Formas de presentarse la energía: La energía se presenta en formas diversas y se puede transformar de una en otra La energía se conserva en los cambios, aunque se degrada al pasar de formas más útiles a menos útiles  Energía química: la energía de los alimentos y de la gasolina  Energía eléctrica: como la suministrada por la batería de un coche  Energía de movimiento debida a la velocidad del móvil  Energía de posición debida a la altura sobre el suelo en la que se encuentra el móvil  Energía luminosa como aquella que radia una bombilla  Otras (como la calorífica, eólica, térmica, atómica, ...)

5. Energía cinética Energía potencial Energía mecánica

6. ENERGÍA CINÉTICA 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 en movimiento  Es directamente proporcional al producto de la masa del cuerpo por el cuadrado de su velocidad.  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. 

7. ENERGÍA POTENCIAL  Un muelle estirado tiene energía almacenada, llamada energía potencial elástica , capaz de realizar un trabajo para recuperar su forma inicial E p = m g h Si m 1 = m 2 y h 2  h 1   Un combustible, posee energía potencial química capaz de liberar calor  Un condensador cargado almacena energía potencial eléctrica capaz de encender una lámpara  h 1 m 1  h 2 m 2 Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su estado de reposo  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: 

8. TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS W = F x  x cos 0 = F x  x W =  Ec El trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo se emplea en variar la energía cinética del mismo x 0 x 1  x Y X F x = m a x  W = m a x  x  El trabajo realizado por F x cuando el cuerpo experimenta un desplazamiento  x es: 

9. TRABAJO Y ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA m W f = Ep 2  Ep 1 =  Ep W p =  W f =   Ep  El trabajo realizado en elevar un cuerpo se emplea en aumentar su energía potencial gravitatoria. El trabajo realizado por el peso tiende a llevarlo al equilibrio y por tanto disminuye su energía potencial. y 1 y 2  x v = cte  Se quiere elevar a v = cte un objeto de masa m situado sobre una mesa de altura y 1 hasta una estantería de altura y 2  Debemos realizar una fuerza hacia arriba igual al peso m g, desplazándolo una distancia  y  El trabajo realizado por la fuerza será: W f = F  y = m g  y = m g y 2  m g y 1  Como v = cte, el trabajo total será cero, luego el trabajo realizado por el peso del cuerpo será:

10. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA  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  En el punto 2   Ec = Ec 2  Ec 1 = m g (h 1  h 2 )  Ep = Ep 2  Ep 1 = m g (h 2  h 1 ) Ec 1 + Ep 1 = Ec 2 + Ep 2  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 Punto 1 Punto 2 h h 1 h 2 m Ec 1 = m g (h  h 1 ) Ep 1 = m g h 1  Ec 2 = m g (h  h 2 ) Ep 2 = m g h 2   = 0 V 0 = 0

11. ENERGÍA TÉRMICA  Cuando dos cuerpos a distinta temperatura, se ponen en contacto, al cabo de cierto tiempo se acaban igualando sus temperaturas. Se dice que se ha logrado el equilibrio térmico  Se define temperatura como la propiedad común a los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico La temperatura se mide con los termómetros   El termómetro alcanza el equilibrio térmico con la muestra y nos indica la temperatura de la misma Agua fría Agua templada Agua caliente

12. Escalas termométricas Utilizada en el mundo anglosajón y emplea los mismos puntos fijos que la escala centígrada pero los marca con los números 32 (fusión) y 212 (ebullición) , dividiendo el intervalo en 180 partes, siendo cada una, un grado Fahrenheit (1 ºF) Escala Celsius (ºC)  Hielo fundente (0 ºC) 0 ºC 100 ºC Agua hirviendo (100 ºC) Establecido por Anders Celsius en 1741 Utiliza dos temperaturas de referencia que se llaman puntos fijos Se divide el intervalo en 100 partes siendo cada una de ellas 1 ºC Escala Fahrenheit (ºF)  Escala Kelvin (ºK)  Propuesta por Lord Kelvin en 1854. Es la llamada escala de temperaturas absolutas Sitúa el 0 ºK en la temperatura a la que las moléculas de un cuerpo, no poseen energía cinética (  273,16 ºC) T (ºK) = T (ºC) + 273,16

13. EL CONCEPTO DE TEMPERATURA T 1 T 2 > T 1  Las partículas del gas son muy pequeñas comparadas con la distancia que las separa  Las partículas están en continuo movimiento , chocando entre sí y contra las paredes  Se mueven en todas direcciones , con velocidades distintas en módulo  El número de partículas cuya velocidad tiene el mismo módulo, presenta un máximo para cada temperatura , el cual crece con la temperatura del gas  La teoría cinética explica la presión del gas como consecuencia de los choques, así como la temperatura, que es directamente proporcional a la energía cinética media de translación por partícula / k es la cte de Boltzmann cuyo valor es k = 1,38 10  23 J/molécula

14. TEMPERATURA : Es la manifestación externa del estado de movimiento de las partículas de un cuerpo. Nos informa sobre la energía interna de dicho cuerpo . El sistema recibe una cantidad de calor Q Q T 1 El sistema se encuentra a temperatura T 1 La temperatura final del sistema es T 2 > T 1 T 2  Cantidad de calor es la energía que intercambian dos sistemas a distinta temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico  Q = C (T 2  T 1 ) La cantidad de calor Q aportada al sistema es  La constante de proporcionalidad es la capacidad calorífica del cuerpo (J/grado)  El calor específico de la sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa: Se mide en J/kg . K, o bien J/kg . ºC  En consecuencia diremos que: Q = m c e (T 2  T 1 )

15. EL CALOR PRODUCE CAMBIOS DE ESTADO Sublimación Sublimación Licuefacción o condensación Solidificación SÓLIDO LÍQUIDO GAS Cambios progresivos (  ) ( absorben Q ) Cambios regresivos (  ) ( desprenden Q ) Fusión L f Vaporización L v Calor latente de cambio de estado L es la cantidad de calor que necesita una unidad de masa de una sustancia para cambiar de estado Q = m L 