Este documento presenta conceptos clave sobre trabajo, energía y potencia. Define energía potencial como la habilidad para realizar trabajo debido a la posición, y energía cinética como la habilidad debido al movimiento. Explica que el teorema trabajo-energía establece que el trabajo realizado por una fuerza es igual al cambio en energía cinética. También define potencia como la tasa a la que se realiza trabajo, y proporciona ejemplos para ilustrar estas ideas fundamentales.
Contenido Programático de la Unidad
1. Conceptos
1.1. Sistemas, alrededores y universo.
1.2. Tipos de sistemas: abiertos, cerrados y aislados.
1.3. Trabajo. Función de estado.
1.4. Calor. Capacidad calorífica y calor específico.
1.5. Procesos exotérmicos y endotérmicos.
1.6. Energía interna.
2. Trabajo de expansión
2.1. A presión constante.
2.2. Ejercicios.
3. Relación energía, calor y trabajo
3.1. Primera ley de la termodinámica.
3.2. Sistemas con volumen constante.
3.3. Ejercicios.
4. Calor a presión constante
4.1. Entalpía. Definición.
4.2. Entalpía y energía interna. ΔH y ΔE.
4.3. Variación de entalpía en una reacción química.
4.4. Ecuación termoquímica. Definición.
4.5. Aplicación de la estequiometria a los calores de reacción.
4.6. Variación de entalpía en un cambio de estado.
4.7 Entalpías de formación estándar.
4.8. Entalpías de reacción estándar.
4.9. Ejercicios.
5. Desorden de un sistema
5.1. Segunda ley de la termodinámica.
5.2. Entropía. Definición.
5.3. Procesos espontáneos y no espontáneos.
5.4. Variación de la entropía en el universo.
5.5. Variación de la entropía a temperatura constante. Cambio de estado físico.
5.6. Entropía absoluta. Tercera ley de la termodinámica.
. 5.7. Entropía molar estándar.
5.8. Entropía de reacción estándar.
5.9. Ejercicios.
6. Energía libre de Gibbs
6.1. Definición.
6.2. Energía libre estándar de formación.
6.3. Energía libre estándar de reacción.
6.4. La temperatura y los cambios espontáneos.
6.5. Ejercicios.
Contenido Programático de la Unidad
1. Conceptos
1.1. Sistemas, alrededores y universo.
1.2. Tipos de sistemas: abiertos, cerrados y aislados.
1.3. Trabajo. Función de estado.
1.4. Calor. Capacidad calorífica y calor específico.
1.5. Procesos exotérmicos y endotérmicos.
1.6. Energía interna.
2. Trabajo de expansión
2.1. A presión constante.
2.2. Ejercicios.
3. Relación energía, calor y trabajo
3.1. Primera ley de la termodinámica.
3.2. Sistemas con volumen constante.
3.3. Ejercicios.
4. Calor a presión constante
4.1. Entalpía. Definición.
4.2. Entalpía y energía interna. ΔH y ΔE.
4.3. Variación de entalpía en una reacción química.
4.4. Ecuación termoquímica. Definición.
4.5. Aplicación de la estequiometria a los calores de reacción.
4.6. Variación de entalpía en un cambio de estado.
4.7 Entalpías de formación estándar.
4.8. Entalpías de reacción estándar.
4.9. Ejercicios.
5. Desorden de un sistema
5.1. Segunda ley de la termodinámica.
5.2. Entropía. Definición.
5.3. Procesos espontáneos y no espontáneos.
5.4. Variación de la entropía en el universo.
5.5. Variación de la entropía a temperatura constante. Cambio de estado físico.
5.6. Entropía absoluta. Tercera ley de la termodinámica.
. 5.7. Entropía molar estándar.
5.8. Entropía de reacción estándar.
5.9. Ejercicios.
6. Energía libre de Gibbs
6.1. Definición.
6.2. Energía libre estándar de formación.
6.3. Energía libre estándar de reacción.
6.4. La temperatura y los cambios espontáneos.
6.5. Ejercicios.
Definiicion+ Ejemplos sobre temas referentes a :
ENERGIA.
TRABAJO.
POTENCIA.
(Favor dar Clic a los hipervinculos citados en la 1era pagina, los llevara automáticamente a los conceptos, ejemplos, formulas y demás, de cada uno)
2. El Ninja, una montaña rusa en Six Flags de
Georgia, tiene una altura de 122 ft y una
rapidez de 52 mi/h. La energía potencial
debida a su altura cambia a energía cinética de
movimiento.
3. Objetivos: Después de completar
este módulo, deberá:
• Definir energía cinética y energía potencial,
junto con las unidades apropiadas en cada
sistema.
• Describir la relación entre trabajo y energía
cinética, y aplicar el TEOREMA TRABAJOENERGÍA.
• Definir y aplicar el concepto de POTENCIA,
junto con las unidades apropiadas.
4. Energía
Energía es cualquier cosa que se puede
convertir en trabajo; es decir: cualquier cosa
que puede ejercer fuerza a través de una
distancia.
distancia
Energía es la capacidad para realizar trabajo.
5. Energía potencial
Energía potencial: Habilidad para
efectuar trabajo en virtud de la posición
o condición.
condición
Un peso suspendido
Un arco estirado
6. Problema ejemplo: ¿Cuál es la energía
potencial de una persona de 50 kg en un
rascacielos si está a 480 m sobre la calle?
Energía potencial gravitacional
¿Cuál es la E.P. de una persona
de 50 kg a una altura de 480 m?
U = mgh = (50 kg)(9.8 m/s2)(480 m)
U = 235 kJ
U = 235 kJ
7. Energía cinética
Energía cinética: Habilidad para realizar
trabajo en virtud del movimiento. (Masa
con velocidad)
Un auto que
acelera o un
cohete espacial
8. Ejemplos de energía cinética
¿Cuál es la energía cinética de una bala
de 5 g que viaja a 200 m/s?
5g
K = mv = (0.005 kg)(200 m/s)
2
1
2
1
2
K = 100 J
K = 100 J
¿Cuál es la energía cinética de un auto
de 1000 kg que viaja a 14.1 m/s?
200 m/s
K = mv = (1000 kg)(14.1 m/s)
1
2
2
1
2
K = 99.4 J
K = 99.4 J
2
2
9. Trabajo y energía cinética
Una fuerza resultante cambia la velocidad de
un objeto y realiza trabajo sobre dicho objeto.
vf
x
vo
F
F
m
m
Trabajo = Fx = (ma)x;
Trabajo =
1
2
a=
v −v
2
mv 2 − 1 mv0
f
2
2
f
2
0
2x
10. El teorema trabajo-energía
El trabajo es
2
Trabajo = 1 mv 2 − 1 mv0
f
igual al cambio
2
2
en½mv2
Si se define la energía cinética como ½mv2
entonces se puede establecer un principio
físico muy importante:
El teorema trabajo-energía: El trabajo
realizado por una fuerza resultante es igual al
cambio en energía cinética que produce.
11. Ejemplo 1: Un proyectil de 20 g golpea un banco
de lodo y penetra una distancia de 6 cm antes de
detenerse. Encuentre la fuerza de frenado F si la
velocidad de entrada es 80 m/s.
0
Trabajo = ½ mvf2 - ½ mvo2
F x = - ½ mvo2
80 m/s
6 cm
x
F=?
F (0.06 m) cos 1800 = - ½ (0.02 kg)(80 m/s)2
F (0.06 m)(-1) = -64 J
F = 1067 N
F = 1067 N
Trabajo par detener la bala = cambio en E.C. para la bala
12. Ejemplo 2: Un autobús aplica los frenos para evitar u
accidente. Las marcas de las llantas miden 80 m de
largo. Si µk = 0.7, ¿cuál era la rapidez antes de aplica
los frenos?
Trabajo = ∆K
Trabajo = F(cos θ) x
f = µk.n = µk mg
Trabajo = - µk mg x
25 m
f
0
∆K = ½ mvf2 - ½ mvo2
-½ ∆K o= = -µk mg x
mv 2 Trabajo
vo = 2(0.7)(9.8 m/s2)(25 m)
vo =
2µkgx
voo = 59.9 ft/s
v = 59.9 ft/s
13. Ejemplo 3: Un bloque de 4 kg se desliza desde el
reposo de lo alto al fondo de un plano inclinado de
300. Encuentre la velocidad en el fondo. (h = 20 m
µk = 0.2)
h
x
f
n
n
mg
300
Plan: Se debe calcular tanto
el trabajo resultante como el
desplazamiento neto x.
Luego se puede encontrar la
velocidad del hecho de que
Trabajo = ∆K.
Trabajo resultante = (Fuerza resultante por el
plano) x (desplazamiento
por el plano)
14. Ejemplo 3 (Cont.): Primero encuentre
el desplazamiento neto x por el plano:
f
h
mg
x
n
300
h
x
300
Por trigonometría, se sabe que sen 300 = h/x y:
h
sen 30° =
x
20 m
x=
= 40 m
sen 30°
15. Ejemplo 3 (Cont.): A continuación encuentre el
trabajo resultante en el bloque de 4 kg. (x = 40 m
µk = 0.2)
Dibuje diagrama de cuerpo libre para encontrar la fuerza
resultante:
f
h
mg
n
y
f
x = 40 m
n
mg cos 30
0
300
mg sen 300
x
300
mg
Wx = (4 kg)(9.8 m/s2)(sen 300) = 19.6 N
Wy = (4 kg)(9.8 m/s2)(cos 300) = 33.9 N
16. Ejemplo 3 (Cont.): Encuentre la fuerza resultan
sobre el bloque de 4 kg. (x = 40 m y µk = 0.2)
f
33.9 N
300
Fuerza resultante por el
plano: 19.6 N - f
y
n
19.6 N
mg
x
Recuerde que fk = µk n
ΣFy = 0 o
n = 33.9 N
Fuerza resultante = 19.6 N – µkn ; y µk = 0.2
Fuerza resultante = 19.6 N – (0.2)(33.9 N) = 12.8 N
Fuerza resultante por el plano = 12.8 N
17. Ejemplo 3 (Cont.): El trabajo resultante sob
el bloque de 4 kg. (x = 40 m y FR = 12.8 N)
N
x
FR
300
(Trabajo)R = FRx
Trabajo neto = (12.8 N)(40 m)
Trabajo neto = 512 J
Finalmente, se puede aplicar el teorema trabajoenergía para encontrar la velocidad final:
0
Trabajo =
1
2
mv − mv
2
f
1
2
2
0
18. Ejemplo 3 (Cont.): Un bloque de 4 kg se desliza des
el reposo de lo alto al fondo del plano de 300. Encuen
la velocidad en el fondo. (h = 20 m y µk = 0.2)
h
x
f
n
n
mg
300
Trabajo resultante = 512 J
El trabajo realizado sobre el
bloque es igual al cambio
en E.C. del bloque.
0
½ mvf2 - ½ mvo2 = Trabajo
½(4 kg)vf2 = 512 J
½ mvf2 = 512 J
vf f = 16 m/s
v = 16 m/s
19. Potencia
La potencia se define como la tasa a la
que se realiza trabajo: (P = dW/dt )
t
F
m
4s
10 kg
h
20 m
mg
Trabajo Fx
Potencia =
=
tiempo
t
mgr (10kg)(9.8m/s 2 )(20m)
P=
=
t
4s
P = 490 J/s or 490 watts (W)
La potencia de 1 W es trabajo realizado a
La potencia de 1 W es trabajo realizado a
una tasa de 1 J/s
una tasa de 1 J/s
20. Unidades de potencia
Un watt (W) es trabajo realizado a la tasa
de un joule por segundo.
1 W = 1 J/s y 1 kW = 1000 W
Un ft lb/s es una unidad (SUEU) más vieja.
Un caballo de fuerza es trabajo realizado a
la tasa de 550 ft lb/s. (1 hp = 550 ft lb/s)
21. Ejemplo de potencia
¿Qué potencia se consume al levantar
1.6 m a un ladrón de 70 kg en 0.50 s?
Fh mgh
P=
=
t
t
2
(70 kg)(9.8 m/s )(1.6 m)
P=
0.50 s
Potencia consumida: P = 2220 W
Potencia consumida: P = 2220 W
22. Ejemplo 4: Un cheetah de 100 kg se
mueve desde el reposo a 30 m/s en 4
s. ¿Cuál es la potencia?
Reconozca que el trabajo es igual
al cambio en energía cinética:
Trabajo =
P=
1
2
1
2
mv − mv
mv 2
f
t
2
f
1
2
2
0
Trabajo
P=
t
m = 100 kg
(100 kg)(30 m/s) 2
=
4s
1
2
Potencia consumida: P = 1.22 kW
Potencia consumida: P = 1.22 kW
23. Potencia y velocidad
Recuerde que la velocidad promedio o
constante es la distancia cubierta por
unidad de tiempo v = x/t.
P=
Fx
=F
x
P = Fv
t
t
Si la potencia varía con el tiempo, entonces
se necesita cálculo para integrar sobre el
tiempo. (Opcional)
Dado que P = dW/dt:
Trabajo =
∫ P(t )dt
24. Ejemplo 5: ¿Qué
potencia se requiere para
elevar un elevador de 900
kg con una rapidez
constante de 4 m/s?
P = F v = mg v
P = (900 kg)(9.8 m/s2)(4 m/s)
P = 35.3 kW
P = 35.3 kW
v = 4 m/s
25. Ejemplo 6: ¿Que potencia realiza una
podadora de 4 hp en una hora? El factor
de conversión es: 1 hp = 550 ft lb/s.
550ft ⋅ lb/s
4hp
= 2200 ft ⋅ lb/s
1hp
Trabajo
P =
; Trabajo = Pt
t
Trabajo = (2200ft. lb/s)(60 s)
Trabajo = 132,000 ft lb
Trabajo = 132,000 ft lb
26. Resumen
Energía potencial: Habilidad para realizar
trabajo en virtud de la posición o condición.
condición
Energía cinética: Habilidad para realizar
trabajo en virtud del movimiento. (Masa con
velocidad)
U = mgh
K = 1 mv 2
2
El teorema trabajo-energía: El trabajo
El teorema trabajo-energía: El trabajo
realizado por una fuerza resultante es igual al
realizado por una fuerza resultante es igual al
cambio en energía cinética que produce.
cambio en energía cinética que produce.
Trabajo = ½ mvf22-- ½ mvoo22
Trabajo = ½ mvf ½ mv
27. Resumen (Cont.)
La potencia se define como la tasa a
Trabajo
P =
la que se realiza trabajo: P = dW/dt
t
Potencia =
Trabajo F ⋅ r
=
tiempo
t
P= F v
La potencia de 1 W es trabajo realizado a
La potencia de 1 W es trabajo realizado a
una tasa de 1 J/s
una tasa de 1 J/s