Energía: Conceptos fundamentales

ENERGÍA
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Departamento de Tecnología

Definición
ENERGÍA
La energía es la capacidad de los cuerpos para
realizar un trabajo y producir cambios en ellos
mismos o en otros cuerpos. Es decir, la energía es la
capacidad de hacer funcionar las cosas.
Principio de conservación
El Principio de conservación de la energía indica
que la energía no se crea ni se destruye; sólo se
transforma de unas formas en otras.

AntecedentesENERGÍA
Breve Introducción
histórica

Desde la antigüedad se ha aprovechado la energía que
existe en la naturaleza. El descubrimiento del fuego
permitió cocinar los alimentos o construir nuevas
herramientas; mientras que la energía del agua o el
viento, se aprovechó para hacer funcionar molinos o
barcos de vela.

En el siglo XVIII James
Watt revolucionó
extraordinariamente el
uso de la energía de
forma controlada con el
desarrollo de la máquina
de vapor.
Llega la Revolución
Industrial

La transición a la energía eléctrica junto con el uso del petróleo
fueron el catalizador del desarrollo la sociedad actual.
La disponibilidad de
energía, es hoy, es
un factor que nos
define el grado de
desarrollo de un
país.

Formas de
manifestarse la
energía
ENERGÍA

La energía no se crea ni se destruye; sólo se
transforma de unas formas en otras.
Recuerda!
ENERGÍA
Manifestaciones de la energía
La energía se manifiesta en la naturaleza de
distintas formas. Las principales son las siguientes :

ENERGÍA
1. Energía mecánica
2. Energía eléctrica
3. Energía térmica
4. Energía electromagnética
5. Energía nuclear
6. Energía química

ENERGÍA
La energía mecánica es la energía
relacionada con el movimiento o la
posición que un cuerpo ocupa
respecto a otro (generalmente la
tierra). Un ejemplo de este tipo de
energía es el que mueve el vagón de
las montañas rusas.

ENERGÍA
La energía mecánica, se puede
manifestar de dos formas
diferentes:
Energía Cinética Energía Potencial

ENERGÍA
Energía mecánica: Energía cinética
La energía cinética es la energía que tiene un
cuerpo debido a su movimiento. De forma
matemática se puede expresar como:
Ec=1/2·m·v2
Donde m representa la masa del
objeto y v la velocidad a la que se
desplaza

ENERGÍA
Ejemplo: Un vagón de 100 kg que se mueve a una velocidad de 20
m/s, posee una energía cinética
EC = ½ · m · v2
EC = ½ · 100 · (20 m/s)2
EC = ½ · 100 · (20 m/s)2
= 20·103
J
Datos:
m = 100 kg
v = 20 m/s

ENERGÍA
W = Ecf- Eci
Toda partícula con una velocidad
determinada puede realizar un
trabajo, pero sólo lo realiza cuando
pierde parte de su energía cinética,
siendo el trabajo realizado igual a la
energía cinética perdida.

ENERGÍA
Energía mecánica: Energía potencial
Es la energía que se puede almacenar durante un determinado
periodo de tiempo. Puede ser de dos tipos: energía potencial
gravitatoria y energía potencia elástica
Potencial
gravitatoria
Potencial elástica

ENERGÍA
Energía mecánica: Energía potencial gravitatoria
La energía potencial gravitatoria es la energía que
posee un cuerpo en virtud de su posición o
estado. De forma matemática se puede expresar
como:
Ep=m·g·hDonde m representa la masa
del objeto y g la aceleración de
la gravedad (9’8 m/s2
) y h la
altura en metros.

ENERGÍA
Energía mecánica: Energía potencial gravitatoria
Ejemplo: Un vagón de 100 kg que se encuentra a una altura de 15 m
posee una energía potencial de:
Ep = m · g · h
Ep = 100 kg · 9’8m/ss
· 15 m
Ep = 100 kg · 9’8m/ss
· 15 m = 14’7·103
J
Datos:
m = 100 kg
h = 15 m
g = 9’8 m/s2

Energía mecánica: Energía potencial elástica
La energía potencial elástica es la energía que
puede almacenar un cuerpo cuando experimenta
o sufre una deformación. De forma matemática
se puede expresar como:
Donde k es la constante
elástica (N/m) y x la
deformación del objeto en
metros.
ENERGÍA
También conocida
como Ley de Hooke.
Ee= ½ · k ·x2

Energía mecánica: Energía potencial elástica
Ejemplo: Un muelle con una constante de deformación de 150 N/m que
sufre una deformación de 20 cm posee una energía potencial elástica de:
Ee = ½ · k · x2
Ee= ½ · 150 N/m · (0’2 m)2
Ee = ½ · 150 N/m · (0’2 m)2
= 3 J
Datos:
k = 150 N/m
x = 20 cm
ENERGÍA

ENERGÍA
Energía mecánica
La energía mecánica equivale a la suma de la
energía potencial y de la energía cinética.
Em= Ep + Ec

ENERGÍA
Energía mecánica (problema del departamento de Tecnologia del IES Villalba Hervás )

ENERGÍA
Es la energía que proporciona la
corriente eléctrica. Se trata de una
energía de transporte. Generalmente
se transforma y procede de otro tipo
de energía, por ejemplo la energía
mecánica.

ENERGÍA
Este tipo de energía es muy utilizada
en la actualidad por la facilidad y
seguridad de su transporte. Se
obtiene en las centrales eléctricas a
partir de otras fuentes de energía
(carbón, petróleo, uranio, etc.)
Ee = P · t
Ee = V · I · t
Ee = I2
·R · t
Donde P es la potencia
eléctrica en vatios, t tiempo en
segundos, V voltaje en voltios,
I intensidad en amperios y R
resistencia en ohmios

ENERGÍA
Cuando hablamos de energía
eléctrica es muy usual
utilizar el KWh (kilovatio
hora) como unidad en lugar
del Julio.
P es la potencia eléctrica se
mide en W, t en lugar de
segundos se realiza en horas:
1 h = 60 min = 3’6·103
seg.
1 kW = 103
W
1 kWh = 3’6 · 106
J

ENERGÍA
Ejemplo: La energía eléctrica consumida en un circuito por el que circulan
3A conectado durante 3h a una fuente de alimentación de 12V será:
Ee = P · t = (V · I) · t
Ee = (12V · 3A) · 3h
Ee = (12V · 3A) · 3h = 108Wh = 0,108 kWh
Datos:
V = 12 V
I = 3 A
t = 3h

ENERGÍA
La energía térmica o calorífica
es la energía asociada a la
transferencia de calor de un
cuerpo a otro.

Las moléculas de los cuerpos
están en movimiento continuo,
y cuanto mayor sea este
movimiento (la velocidad de las
moléculas que lo componen),
mayor será su energía térmica.
ENERGÍA
2. Energía térmica El cero absoluto es la temperatura
teórica más baja posible. A esta
temperatura el nivel de energía
interna del sistema es el más bajo
posible, por lo que las partículas,
según la mecánica clásica, carecen
de movimiento.
El cero absoluto sirve de punto de
partida para la escala de Kelvin.
Así, 0 K = −273,15 °C
El cero absoluto es la temperatura
teórica más baja posible. A esta
temperatura el nivel de energía
interna del sistema es el más bajo
posible, por lo que las partículas,
según la mecánica clásica, carecen
de movimiento.
El cero absoluto sirve de punto de
partida para la escala de Kelvin.
Así, 0 K = −273,15 °C

Se define la caloría como la cantidad de
energía calorífica necesaria para elevar la
temperatura de un gramo de agua pura
en 1 °C (desde 14,5 °C a 15,5 °C), a una
presión normal de una atmósfera.
ENERGÍA
Una caloría (cal)
equivale a 4,1868
julios(J)
Aunque la unidad de energía en el SI es el julio, la CALORÍA es la
unidad empleada cuando hablamos de este tipo de energía.
Aunque la unidad de energía en el SI es el julio, la CALORÍA es la
unidad empleada cuando hablamos de este tipo de energía.

ENERGÍA
Podemos definir el calor cedido o absorbido por un cuerpo
frente a una variación de temperatura ∆T como:
Q = m · Ce ·(T2-T1) Donde Q es el calor medido en calorías, m la
masa del objeto medida en gramos y T1 y T2,
temperaturas inicial y final respectivamente
Acumulación de energía térmica en los cuerposAcumulación de energía térmica en los cuerpos

ENERGÍA
Todos los materiales no absorben o ceden
calor del mismo modo, pues unos
materiales absorben el calor con mayor
facilidad que otros. Ese factor depende del
llamado calor específico del material Ce.
Cada material tiene su propio calor
específico.
Ejemplo, para que un gramo de cobre suba su
temperatura un grado debe absorber 0’092 cal.
Material Ce
Acero Inox. 0’220
Agua líquida 1
Aluminio 0’212
Cobre 0,092
Hierro 0’105
Hormigón 0’210
Madera 0’116
Vidrio 0’184Ce, medido en Kcal/(kg·ºC)

ENERGÍA
Energía térmica
Ejemplo: Calcular el calor cedido por el agua de una bañera con un volumen de 200l que
pasa de los 36ºC iniciales a 25ºC e
Datos:
m= 200kg*
T1=36ºC
T2=25ºC
Ce =1kcal/(kg·ºC)
*densidad del agua 1kg/l
Q = m · Ce ·(T2-T1)
Q = 200kg · 1kcal/(kg·ºC) ·(25ºC-36ºC)
Q = -2.200 kcal

En dos cuerpos con
diferente temperatura,
la energía térmica
pasará del que tenga
mayor temperatura al
que tenga menor en
forma de calor.
ENERGÍA
El calor se intercambia de un
cuerpo a otro de tres formas
distintas:
•Conducción
•Convección
•Radiación
El calor se intercambia de un
cuerpo a otro de tres formas
distintas:
•Conducción
•Convección
•Radiación

El calor pasa del cuerpo de
mayor temperatura al de
menor temperatura por simple
contacto entre ellos.
ENERGÍA
Energía térmica: Conducción
Ejemplo: Al calentar el extremo de una barra metálica el calor se
transmite a toda la barra.

ENERGÍA
Q = (λ/d)·S·(T2-T1)·t
Donde Q es el calor medido en Kcalorías,
d espacio entre las 2 superficies en m, S
superficie de contacto en m2
, t tiempo en
horas, λ coeficiente de conductividad y T1
y T2, temperaturas inicial y final respect.
Material λ Material λ
Aluminio 197 Acero 12.5
Cobre 378 Madera 0.32 a 0.4
Hierro 60 Ladrillo 0.33
Agua 0.022 Hormigón 0.7 a 1.2
Aceite 0.108 Cristal 0.7
λ medido en kcal/(m·h·ºC)

ENERGÍA
Ejemplo: Una caldera con unas paredes de 5mm de espesor y con una superficie de
345cm2
se quiere mantener a 125º C. Sabiendo que está fabricada de acero, determina la
cantidad de calor que es necesario aportar por hora (en kcal/h) para mantener dicha
temperatura. Temperatura exterior 22ºC (McGRAW HILL; TECNOLOGIA INDUSTRIAL 1º Bch)
Datos:
d=0’05m
S=0’0345m2
T1=22ºC
T2=125ºC
λ=12’5kcal/(m·h·ºC)
Q = (λ/d)·S·(T2-T1)·t
Q/t = (=12’5kcal/(m·h·ºC/0’05m)·0’0345m2·(125ºC-22ºC)
Q/t = 8.883’75kcal/h

El calor se propaga debido a las
corrientes producidas por la
disminución de densidad del
fluido caliente que sube
haciendo bajar el frío.
ENERGÍA
Energía térmica: Convección
Ejemplo: Una olla con agua caliente hirviendo.

ENERGÍA
Q = α·S·(T2-T1)·t
Donde Q es el calor medido en
Kcalorías, S superficie de contacto
en m2
, t tiempo en horas, α
coeficiente de convección y T1 y T2,
temperaturas inicial y final respect.
Material α Material α
Líquido en reposo 500
Gas en
reposo
∆T<15ºC
=3+0’08·∆T
Líquido en
ebullición
10.000
Gas en
reposo
∆T>15ºC
=2’2·∆T1/4
Vapores en
condensación
10.000
α medido en kcal/(m2
·h·ºC)

ENERGÍA
Ejemplo: Calcula la cantidad de calor transmitido por convección al techo de una
habitación durante 4 horas, si se dispone de un radiador eléctrico de superficie 1’5m2
colocado en el suelo. La temperatura del radiador es de 120ºC y la de la habitación es de
35ºC (McGRAW HILL; TECNOLOGIA INDUSTRIAL 1º Bch)
Datos:
S=1’5m2
T1=35ºC
T2=120ºC
α =2’2·∆T1/4
kcal/(m2
·h·ºC)
t= 4h
(1) α =2’2·(120ºC-35ºC)1/4
kcal/(m2
·h·ºC)
(1) α = 6’68kcal/(m2
·h·ºC)
(2) Q = α·S·(T2-T1)·t
(2) Q = 6’68kcal/(m2
·h·ºC) ·1’5m2
·(120ºC-35ºC)·4h
(2) Q = 3.407 kcal

Consiste en la
transferencia de calor en
forma de ondas
electromagnéticas.
ENERGÍA
Energía térmica: Radiación
Ejemplo: Las cocinas de inducción.

ENERGÍA
Energía térmica: Radiación
Donde Q es el calor medido
en Kcalorías, S superficie de
contacto en m2
, t tiempo en
horas, α coeficiente de
convección y T1 y T2,
temperaturas inicial y final.
Q = c·S·[(T2/100)4
– (T1/100)4
] ·t
Material c Material c
Aluminio 0’40 Acero 1’42
Cobre 0’24 Madera 4’44
Hierro 2’16 Ladrillo 4’60
Agua 4’75 Porcelana 4’58
Aceite 4’06 Vidrio 4’65
c coeficiente radiación medido en
kcal/(m2
·h·ºC)

Energía almacenada en una región
del espacio por la presencia de un
campo electromagnético. Se
manifiesta en forma de onda
electromagnética caracterizadas por
2 parámetros: Frecuencia y longitud
de onda
ENERGÍA
4. Energía electromagnética
En función de estos 2
parámetros encontramos
ondas de radio, microondas,
espectro infrarrojo, luz
visible, luz ultravioleta, rayos
x o rayos gamma.
En función de estos 2
parámetros encontramos
ondas de radio, microondas,
espectro infrarrojo, luz
visible, luz ultravioleta, rayos
x o rayos gamma.

Es la energía que se libera en las
reacciones atómicas. Puede proceder
de 2 tipos: Fusión y fisión. En ambos
tipos la disminución de masa neta se
transforma en energía.
ENERGÍA
5. Energía nuclear
E = m·c2
Donde E es el energía medida
en Julios, m la masa en kg y c
la velocidad de la luz
3·108
m/s.

ENERGÍA
5. Energía nuclear
Ejemplo: Calcula la energía liberada (en Kcal) en una reacción nuclear suponiendo
que se han transformado 3 g de uranio en energía calorífica.
Datos:
m = 0’003kg
v = 3·108
m/s
E= m · c2
E= m · c2
= 0’003kg · (3·108
m/s)2
E= 2’7·1014
J = 6’46 .1010
Kcal

ENERGÍA
5. Energía nuclear
Fisión Fusión
Al fisionar (romper un
átomo de Uranio o Plutonio
se obtiene una gran energía
en forma de calor.
El calor se produce a hora
al unir un núcleo de
deuterio y otro de tritio
(isótopos del Hidrógeno),
forman el Helio. *En fase de
experimentación.

Es la energía almacenada en la
materia debido a su composición
estructural (ej.- alimentos,
combustibles fósiles,..) . Esta energía
se libera al reaccionar con otro
elementos obteniendo un
subproducto.
ENERGÍA

ENERGÍA
Se define el poder calorífico de un
combustible como la cantidad de
calor liberado en la combustión
de una cierta cantidad del
mismo..
Q = Pc·m (sólidos y líquidos)
Q = Pc·v (gases)
Material Pc
Coque 5.300 – 7.000
Madera 2.500 – 3.600
Gasóleo 10.300
Gas Nat. 8.540
Butano 28.500
Donde Q es el calor medido
en Kcalorías, m la masa en kg
y v el volumen en m3
.
Pc poder calorífico kcal/kg o kcal /m3

Ejemplo: Calcula en kJ, la energía liberada al quemar 8’5 Kg de madera.
Datos:
m = 8’5 kg
Pc = 3.000 kcal/kg
Q= Pc. m
Q= Pc. m = 3.000 kcal/kg . 8’5kg
Q = 25.500Kcal = 106.590KJ
ENERGÍA

Sistemas
energéticos
ENERGÍA

ENERGÍA
Sistema energético El ser humano a lo largo de la
historia ha intentado explotar
todos aquellos recursos
energéticos que tenía en su
entorno ya sea por sencillo
procesos o por maquinaria
más compleja capaz de
aprovechar dichas energías.
Definimos un sistema energético como el conjunto de
procesos realizados sobre la energía desde sus fuentes
originarias hasta su uso final.
Captura y
extracción
energía
primaria
Transf.
energía
secundaria
Transport
e
Transf.
energía
final
Consumo
Transf.
energía
final

Captura y
extracción
energía
primaria
Transf.
energía
secundaria
Transport
e
Transf.
energía
final
Consumo
Transf.
energía
final
ENERGÍA
Sistema energético

ENERGÍA
Sistema energético
Cada una de las formas de
energía estudiadas
anteriormente son susceptibles
de ser transformadas en otras.
Pero en este proceso tenemos
que tener en cuenta el 2º
principio de la termodinámica:
Parte de la energía
empleada se disipa en
calor
Este principio introduce el
concepto de rendimiento
del sistema:
Energía Transformada
Energía Suministradaη =

ENERGÍA
Sistema energético
Ejemplo: Una máquina de aire acondicionado ha extraído de una habitación 5.000kcal.
Sabiendo que durante ese tiempo ha consumido 6 kWh, determina el rendimiento dela
máquina. (McGRAW HILL; TECNOLOGIA INDUSTRIAL 1º Bch)
Datos:
Eabs =6kWh
Eútil = 5.000kCal
(1) Eabs =6kWh = 2’16 107
J
(2) Eútil = 5.000kCal = 5.000 · 4’18 J =2’09 107
J
(3) η = Eutil / Eabs= 2’09 107
J / 2’16 107
J = 0’97= 97%

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