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FÍSICA Y QUÍMICA 4º E.S.O. TEMA 5: ENERGÍA. Página | 91

TEMA 5

ENERGÍA 1.‐ CONCEPTO DE ENERGÍA El concepto de energía es uno de los más poderosos, porque permite explicar multitud de fenómenos. La dificultad de su comprensión reside en que es una idea abstracta –como muchas de la física‐ que no pesa ni ocupa espacio, sino que se reconoce por sus efectos. Por ejemplo, la gasolina no es energía, pero contiene energía. ¿En qué se nota? Los efectos de la energía se notan cuando la energía CAMBIA, mientras que si permanece igual no se observa nada. Son numerosos los cambios que se relacionan con la energía en la Naturaleza, y no nos cabrá más remedio que establecer una clasificación para no perdernos. De ahí que se habla de distintas FORMAS de energía, aunque en sí misma, energía sólo hay una. Por ejemplo, cambios de temperatura, cambios de estado, cambios de velocidad, cambios de altura, cambios de composición química, etc. La energía nos proporciona una visión alternativa de la naturaleza, interpretando los fenómenos desde otro punto de vista distinto a las fuerzas, distinto aunque complementario. La ventaja de usar la energía como herramienta de resolución de problemas es que es una magnitud escalar, fácil de manejar. El inconveniente es que la energía no nos informa en absoluto del tiempo que tarda en producirse un cambio.

El estudio de la energía comenzó con el estudio del CALOR. Así, para explicar el aumento de temperatura de un objeto frío se supuso que tal objeto absorbe un FLUIDO CALÓRICO, el cual es desprendido por otro objeto más caliente. Se pudo comprobar que este fluido no tenía masa, pero su cantidad se conservaba. Con el tiempo, este fluido calórico acabó llamándose ENERGÍA. Al observar el calentamiento del metal cuando se taladraba el agujero central de un cañón, un soldado americano dedujo (en 1799) que el movimiento se puede transformar en calor. Años más tarde (en 1843), el inglés James Prescott Joule encontró finalmente la equivalencia entre el calor y el movimiento (mediante el montaje de la figura). Joule dejó caer un objeto desde una determinada altura, y su movimiento se transmitía a una pasta, cuya temperatura aumentaba, por lo que calor, movimiento y altura son distintas formas de ENERGÍA. En su honor, la unidad internacional de energía se denomina JULIO (J).

Para comprender mejor lo que es la energía, debes aprender las distintas formas de energía, que más adelante desarrollaremos:

• ENERGÍA CINÉTICA, debida al movimiento del objeto. • ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA, debida a la altura. • ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA, debida a la deformación de un objeto

elástico. • ENERGÍA TÉRMICA O CALORÍFICA, debida a la temperatura. • ENERGÍA QUÍMICA, debida a la composición química de la sustancia. • ENERGÍA RADIANTE, la que transportan las ondas electromagnéticas • ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA, la que tienen los electrones en el polo negativo de

una pila o cualquier otro generador eléctrico. • ENERGÍA NUCLEAR, debida a la interacción entre protones y neutrones en el núcleo de

un átomo.

COLEGIO FUNDACIÓN SANTAMARCA

JAIME REDONDO MORA


A mediados del siglo XIX se comprobó que la energía verifica un PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN: En toda transformación, la energía ni se crea ni se destruye, sólo cambia de forma (SE TRANSFORMA) o pasa de un objeto a otro (SE TRANSFIERE). Este principio se asemeja a la LEY DE LAVOISIER o LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA, descubierta cincuenta años antes: En toda transformación (física o química) la masa se conserva: la masa de los reactivos (sustancias existentes antes de la reacción química) es igual a la masa de los productos (sustancias existentes después de la reacción química).

A principios de siglo XX, estos dos principios se transformaron en uno solo, gracias a Albert Einstein: La masa y la energía son dos aspectos inseparables de la materia, si un cuerpo tiene más energía, su masa aumenta. Sin embargo, la constante de proporcionalidad es el cuadrado de la velocidad de la luz, un número enorme (9∙1016 U.I.), lo que significa que un pequeño incremento de masa supone un gran aumento de energía, y un pequeño incremento de energía apenas se nota en la masa. Este es el significado de la famosa ecuación

E = m ∙ c2

Volviendo al ejemplo de la gasolina, ésta puede sufrir transformaciones y convertirse en otras sustancias (al arder), por eso decimos que contiene energía. Cuando la gasolina arde, esta sustancia desaparece, pero su energía no se destruye, sino que se transfiere al vehículo en forma de movimiento. En este caso, la energía química de la gasolina ha producido un cambio en la velocidad del vehículo, transformándose en otra forma de energía, la que va unida al movimiento. Cuando el vehículo se detiene, la energía que poseía debido a su movimiento desaparece, pero tampoco se destruye, sino que, al rozar los frenos contra los discos de las ruedas, se transforma en calor, que es otra forma de energía. En el caso de que nadie pusiera en marcha el vehículo, estos cambios no se darían, pero en cualquier caso la gasolina TIENE energía, porque PUEDE producir estos cambios.

En cierta manera se puede definir la energía como la posibilidad de que un objeto sufra cambios. Por muchos cambios que se den, la energía es siempre la misma, nunca se destruye. Sin embargo, al final de una serie de cambios, la energía siempre se acaba transformando en CALOR. Este calor se dispersa en el medio ambiente y no es útil para el ser humano. Por lo tanto, se dice que LA ENERGÍA SE DEGRADA: en toda transformación, toda o una parte de la energía siempre se convierte en calor inútil. La conservación y la degradación son las dos principales características de la energía. A5.1 Di qué forma o formas de energía tienen los siguientes objetos:

a. Una pelota rodando por el suelo. b. Una pelota por el aire después de chutar. c. Una pelota en las manos de un jugador que la va a lanzar. d. Una pelota parada en el suelo. e. Una pelota ardiendo.

A5.2 Una bola de billar que permanece en reposo es golpeada por otra. Después del golpe, las dos bolas se mueven. Razona si aumentan, disminuyen o no cambian las siguientes magnitudes, comparando antes y después del choque:

a. la masa de la primera bola. b. la energía de la primera bola. c. la energía de la segunda bola. d. la energía total del sistema, sumando la de las dos bolas. e. ¿Ha ocurrido una transformación de energía, o una simple transferencia?

A5.3 Pon cinco ejemplos de diferentes transformaciones de energía. ¿En todos ellos se ha transformado en calor al menos una parte de la energía?


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A5.4 ¿Verdadero o falso? Razona por qué. a. Una pila es energía. b. En una pila, la energía química se convierte en energía eléctrica. c. Al ser usada, una pila se calienta. d. Cuando la pila se gasta, desaparece la energía que tenía. e. Una pila agotada pesa menos. f. Una pila fría tiene más energía que una pila caliente. g. Una pila caliente dura más que una pila fría, porque contiene más energía. h. En las pilas recargables, la energía no se degrada. i. La energía de los enchufes es inagotable. j. La energía de los enchufes se fabrica en centrales de diverso tipo: nucleares,

hidráulicas, térmicas, etc. 2.‐ ENERGÍA CINÉTICA Está asociada con la masa y con la rapidez del movimiento de los cuerpos. Una piedra quieta en el suelo no posee este tipo de energía. Sin embargo, sí la tiene cuando la lanzamos, y se demuestra porque puede realizar diversos cambios: puede romper un cristal, puede producir sonido, etc. El valor de la energía cinética asociada a un cuerpo se determina por la expresión:

2

21 vmEc ⋅=

siendo m la masa y v la rapidez. Se observa en la fórmula que la energía cinética de un objeto es siempre positiva. El siguiente ejemplo sirve para razonar por qué la velocidad está al cuadrado. Imagina ahora que dos coches iguales se dirigen hacia un muro. El primero se mueve a 50 km/h y el segundo lo hace a 100 km/h. ¿El coche que va a doble velocidad realizará un cambio doble (derribará más muro, se deformará más, hará más ruido…)? Hemos visto en televisión cómo se quedan los coches después de chocar en carretera (100 km/h): un amasijo de hierros. En cambio, en ciudad (velocidad limitada a 50 km/h), los coches sufren distintas abolladuras en caso de accidente, un daño mucho menor que en carretera. Al estar elevada al cuadrado, la influencia de la velocidad sobre la energía cinética es grande: a doble velocidad, la energía cinética se multiplica por cuatro.

Podemos razonar con un ejemplo que la energía cinética no sólo depende de la velocidad, sino también de la masa. Un camión y un coche van a chocar, con la misma velocidad, contra un muro. Para deducir cuál tiene más energía debemos preguntarnos: ¿Cuál de los dos vehículos producirá mayores cambios? La diferencia NO se debe al tamaño del camión, porque el mismo camión, si va cargado con más masa, tiene más energía.

Equivalencia del julio La unidad de energía cinética, al igual que todos los demás tipos de energía, es el Julio. De acuerdo con su fórmula, el julio equivale a:

J = kg ∙ m2/s2 Todas las unidades del sistema internacional tienen su equivalencia en función de siete unidades fundamentales, entre las cuales se encuentran el m – kg – s.


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Si recuerdas la equivalencia del Newton, que era muy parecida (N = kg ∙ m/s2), podemos también decir que el julio equivale a:

J = N ∙ m A5.5 Una motocicleta de 200 kg circula a 100 km/h. Determina su energía cinética.

a. Si su velocidad aumenta un 20% (a 120 km/h), ¿en qué porcentaje aumenta su energía cinética? b. ¿En qué se notará ese aumento de energía? c. Si un kg de gasolina proporciona 10000 kcal, ¿cuántos cm3 de gasolina (0’68 g/cm3) se consumen como

mínimo para dicho incremento de velocidad? d. Si solamente el 30% de la energía de la gasolina se invierte en energía cinética, y el resto se degrada en

forma de calor, ¿cuántos cm3 de gasolina se consumirán? e. Despreciando el rozamiento, ¿cuántos cm3 de gasolina se consumirán para mantener la energía cinética

de la moto durante 1 kilómetro, en carretera llana, a 100 km/h? f. Si en vez de ir a velocidad constante, la moto frena y acelera repetidamente a lo largo de dicho kilómetro,

¿consumirá la misma cantidad de gasolina? g. Cuando llega a su destino, la moto se detiene. ¿A dónde ha ido a parar finalmente la energía de la

gasolina? h. Si a través de la investigación tecnológica, se construyen motores más eficientes, que transformen en

movimiento un mayor porcentaje de la energía de la gasolina, ¿se consumirá menos gasolina para realizar un mismo trayecto? ¿Se reducirá la cantidad de calor emitida al medio ambiente?

A5.6 ¿Tiene energía cinética el aire? ¿Y el viento?

• ¿Tiene energía cinética el agua de un lago? ¿Y de un río? • ¿De cuál de los objetos mencionados se puede obtener electricidad?

A5.7 Un cuerpo de masa 10 kg se encuentra en reposo y sufre una aceleración de 2 m/s2 durante 4 s. Determina el incremento de la energía del objeto.

• Utiliza la fórmula de Einstein para determinar el aumento de masa del objeto. ¿Es un aumento de masa que se pueda detectar?

• Calcula a qué velocidad se debe mover el objeto anterior para que el incremento de masa sea de un gramo.

3.‐ ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA Tienen esta forma de energía los objetos que se encuentran bajo la acción de una fuerza gravitatoria. Cuanto mayor sea la separación de los objetos, mayor será su energía. También depende de la fuerza con la que se atraen: a mayor fuerza, mayor energía. A pequeña escala, todos los puntos situados en una misma superficie horizontal (por ejemplo, el suelo o una mesa) tienen la misma energía potencial gravitatoria, ya que se encuentran a la misma distancia del centro de la Tierra. A gran escala, todos los puntos situados en una esfera alrededor de nuestro planeta tienen la misma energía potencial gravitatoria. No es posible determinar TODA la energía potencial gravitatoria de un objeto, sino que es necesario fijar una REFERENCIA, a la que se asigna arbitrariamente una energía potencial CERO. Los objetos situados POR ENCIMA de dicha referencia tienen MÁS energía potencial gravitatoria (energía positiva por tanto), puesto que están más alejados del centro de la Tierra. Los situados POR DEBAJO tendrán MENOS energía potencial, y menos que cero significa energía negativa. Así pues, tomamos una superficie horizontal tomada como referencia para medir, a partir de ella, la altura (h) positiva o negativa, y se introduce en la siguiente fórmula:

hgmEpg ⋅⋅=

En esta fórmula, además de la altura, también aparece el peso (P = m ∙ g), ya que cuanto más pese el cuerpo más energía potencial gravitatoria acumula. Por ejemplo, ¿Qué tiene más energía potencial gravitatoria, una maceta o una pelota, situadas ambas en un balcón? Para responder a la pregunta, pensemos cuál de los dos objetos produciría un cambio mayor, en el caso de caer a la calle sobre un coche, pongamos por caso.


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La energía potencial gravitatoria se acumula en el objeto cuando lo levantamos desde el suelo. Así, por ejemplo, cuando un ascensor sube, se debe emplear una cierta cantidad de energía. Prescindiendo del rozamiento, esta energía se acumula en forma de energía potencial gravitatoria. Al soltar el freno del ascensor, éste se pone en movimiento, gracias a la energía potencial que acumula. La energía potencial gravitatoria se convierte fácilmente en energía cinética y viceversa. Esto supone un camino alternativo para encontrar la altura máxima a la que sube un objeto lanzado hacia arriba (energía cinética cero en ese momento), o la velocidad con la que impacta contra el suelo (energía potencial cero en ese momento). En cualquier otro punto

intermedio, tenemos que SUMAR la energía cinética más la potencial, esta cantidad es la que se mantiene constante, en ausencia de rozamiento (lo cual nunca se cumple en la realidad, dicho sea de paso). Ejercicio resuelto: Se lanza hacia arriba una pelota con una velocidad de 3 m/s desde una ventana situada a 10 de altura sobre la calle. Al mismo tiempo se lanza otra pelota hacia abajo con la misma velocidad. Se pide: a) altura máxima alcanzada por la primera pelota; b) velocidad con la que llegan ambas pelotas a la calle.

Aunque no conocemos la masa de la pelota, podemos escribir que su energía inicial es:

E = Ec + Ep = ½ ∙ m ∙ v2 + m ∙ g ∙ h = 0’5 ∙ m ∙ 32 + m ∙ 9’8 ∙ 10 = 4’5m + 98 m = 102’5m

Nos damos cuenta de que, cuando no conocemos una magnitud (la masa, en este caso), dejamos la letra. Esta energía es la misma para la pelota que se lanza hacia arriba y para la que se lanza hacia abajo, porque la energía es una magnitud escalar. ¿Dónde hemos puesto la referencia de la energía potencial? Ahora igualamos esta energía a la energía que tiene en su punto más alto (sólo potencial):

Ep = m ∙ g ∙ hmáx = 102’5 m

Como la masa es la misma, se puede tachar, y queda: 9’8 ∙ hmáx = 102’5

hmáx = 10’5 m (metros) Para calcular la velocidad con la que llega a la calle, igualamos la energía inicial a la energía que tiene al llegar a la calle (sólo cinética):

Ec = ½ ∙ m ∙ v2 = 102’5 m √2 102 5 14 3 /

Observa que el resultado es el mismo para las dos pelotas, sin importar la dirección de lanzamiento. Por supuesto, el tiempo que tarda la primera es superior al tiempo que tarda la segunda, pero la energía no nos informa acerca del tiempo en que ocurren los cambios.

A5.8 La cascada “salto del ángel” es la más alta del mundo con 979 metros de altura. Despreciando el efecto del rozamiento con el aire, determina la energía potencial inicial de un kilogramo de agua (poniendo la referencia en la base de la cascada), la velocidad del agua a media altura y la velocidad con la que impacta el agua contra el suelo, en km/h.

• ¿Por qué la velocidad del agua a media altura no es la mitad de la velocidad con la que impacta el agua contra el suelo?

A5.9 Una montaña rusa tiene su punto de máxima altura a 20 metros del suelo. Calcula la velocidad que tienen los coches en la parte alta de un bucle de 12 metros de altura, y la velocidad que tienen en la parte baja del mismo, al nivel del suelo, despreciando el efecto del rozamiento (la montaña se supone bien engrasada).


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A5.10 Un martillo a 5 m de altura sobre el suelo, en la Tierra y en la Luna, ¿tiene la misma energía potencial gravitatoria? Razona por qué.

• Si se deja caer, ¿llegará con la misma velocidad al suelo en ambos casos? A5.11 Un embalse deja salir 45 Hm3 de agua, que caen desde 40 m de altura, para mover una turbina y producir electricidad. ¿Cuántos julios de energía eléctrica se producen, despreciando los rozamientos?

• Un avispado estudiante tiene una idea genial: bombear el agua que ha salido del embalse y devolverla otra vez al mismo. Así podemos volver a utilizarla para producir electricidad. ¿Qué te parece la idea?

4.‐ ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA

Muchos objetos distintos son elásticos, es decir, recuperan su forma después de haber sido deformados. Para deformarlos, tenemos que gastar una energía, pero esa energía no se pierde, sino que se acumula en el cuerpo. Por ejemplo, un muelle cuando es comprimido (o estirado). Tomando como referencia al muelle en posición normal, la energía elástica asociada a la deformación producida se determina por la expresión:

2xk21Epe ⋅⋅=

siendo: k : constante elástica del muelle x : deformación producida A5.10 El récord mundial de salto con pértica estaba en 6.14 m en julio de 2008. ¿Cuál es la energía potencial gravitatoria de un atleta de masa 70 kg cuando se encuentra a esta altura?

• ¿Con qué velocidad impacta contra la colchoneta, que tiene 0’5 m de altura?

• ¿Cuál es la constante elástica de la colchoneta, si la máxima compresión es 20 cm?

A5.11 Un muelle cuya constante elástica es 0’5 N / cm tiene una longitud de 20 cm. Se cuelga de su extremo un muñeco de 200 g. El muelle se estira hasta una posición en la que el muñeco se detiene. Determina el estiramiento máximo del muelle. ¿Qué punto conviene tomar como referencia de altura?

• ¿Cuál es la energía potencial elástica cuando el muñeco se encuentra en la mitad de su recorrido? • ¿Cuál es la energía potencial gravitatoria en ese punto? • ¿Por qué la suma de las energías potenciales gravitatoria y elástica no coincide con la energía potencial

inicial? A5.12 Una pistola de juguete contiene un muelle de k = 100 N/m para disparar pelotitas. Compara la velocidad con la que salen las pelotitas:

a. cuando el muelle se comprime 3 cm y cuando se comprime 6 cm (el doble). b. cuando se introducen pelotitas de 1 g y cuando se introducen pelotitas de 2 g. c. cuando se dispara en la Tierra y cuando se dispara en la Luna.


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A5.13 Desde lo más alto de un edificio de 6 m soltamos, al mismo tiempo, una piedra de 400 g y otra de 100 g. a) Cuando están en la azotea, ¿qué tipo de energía poseen? ¿Cuál tendrá más? b) Al llegar al suelo, ¿qué tipo de energía poseen? ¿Cuál tendrá más? ¿Cuál llegará antes al suelo? c) En el suelo hay una cama elástica de k = 0’75 N/cm. ¿Cuánto se comprime con cada piedra? d) ¿Se comprime igual si simplemente depositamos cada piedra sobre la cama elástica, en vez de

dejarlas caer desde lo alto del edificio? e) La cama elástica lanza de nuevo las piedras hacia arriba. ¿Hasta que altura llegará cada una?

5.‐ ENERGÍA INTERNA (QUÍMICA Y TÉRMICA) Un cuerpo está formado por muchas partículas (moléculas o átomos) que se mueven y se atraen entre sí. Por el hecho de moverse, tienen energía cinética. Por el hecho de atraerse, tienen energía potencial (podemos compararlo con la energía potencial gravitatoria o con la elástica). El conjunto de las energías cinéticas y potencial asociadas a todas las moléculas o átomos que forman un cuerpo (que es muy difícil de medir directamente) se denomina energía INTERNA. La energía interna puede descomponerse en dos sumandos: ENERGÍA QUÍMICA (potencial) y ENERGÍA TÉRMICA (cinética).

• ENERGÍA QUÍMICA: es la suma de las energías potenciales de los átomos dentro de una molécula, y de los electrones dentro de los átomos. Es la energía que se puede obtener de los combustibles (y los alimentos son un tipo de combustible). En una reacción química, como por ejemplo en una combustión, los electrones y átomos se reagrupan, encontrándose al final en una situación de energía potencial menor. La diferencia de energía química entre los productos y los reactivos se emite al exterior (reacciones exotérmicas), normalmente en forma de calor, o también a veces de luz. En otras reacciones se absorbe energía del exterior, acumulándose en los productos de la reacción (reacciones endotérmicas), como por ejemplo la importantísima reacción de la FOTOSÍNTESIS. Mediante esta reacción ‐que realizan las plantas, las algas y algunas bacterias‐, se fabrican los alimentos que consumimos, y también es el origen de todos los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural).

• ENERGÍA TÉRMICA: Es la suma de las energías cinéticas de todas las partículas. Como la temperatura

absoluta (en Kelvin) es un indicador de la energía cinética media de las partículas, la energía térmica será directamente proporcional a la temperatura absoluta. También dependerá de la cantidad de materia que tengamos, cuanta más cantidad de partículas, mayor cantidad de energía tendremos. En la práctica, no nos interesa toda la energía térmica de un cuerpo, sino simplemente las variaciones que sufre, y las podemos calcular con la siguiente fórmula:

La diferencia de temperatura, ∆T, en la práctica, da el mismo resultado si se realiza en Kelvin o en grados centígrados. La constante c se denomina calor específico, y es una constante distinta para cada sustancia. Se define como la energía necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de una sustancia en 1 grado centígrado (o Kelvin). Date cuenta que esta definición se deduce directamente de la fórmula anterior, porque si m = 1 kg y ∆T = 1°C, entonces c es igual a ∆T. Fíjate que el agua tiene el calor específico más alto de las sustancias corrientes. Observa también que el hielo tiene un calor específico distinto que el agua, aún siendo la misma sustancia.


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TABLA DE CALORES ESPECÍFICOS (cal / g °C) SUSTANCIA ce SUSTANCIA ce SUSTANCIA ce

Agua 1'00 Hielo 0'55 Hierro 0'10 Cobre 0'09 Aceite 0'60 Alcohol 0'58 Oro 0'03 Plomo 0'03 Aluminio 0'22

Nitrógeno 0'25 Oxígeno 0'22 Cinc 0'09 Estos tipos de energía fueron estudiados antes de establecerse el principio general de la conservación de la energía, y por tanto se estableció una unidad de medida propia: la CALORIA, definida como el calor necesario para aumentar la temperatura de 1 g de agua en un grado. Hoy día las expresamos en julios, como el resto de las formas de energía, siendo ésta la equivalencia entre la caloría y el julio:

1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,18 J

Observa en la anterior tabla de calores específicos que el agua tiene un calor específico de 1 cal/g∙°C, , lo cual equivale a 4180 J/Kg∙K en el sistema internacional de unidades. Por tradición, aún es frecuente encontrar tablas de contenido energético de los alimentos o de los combustibles expresados en calorías. Y es más, al referirnos a alimentos es frecuente hablar de Calorías (con C mayúscula) cuando en realidad se entiende que son kilocalorías (kcal), aunque la normativa actual obliga a utilizar las unidades del sistema internacional (julios y kilojulios). Los alimentos se dividen en tres grupos:

AZÚCARES: constituyen el combustible inmediato para la obtención de energía. Un gramo de azúcar proporciona 4 kcal (en algunos libros 4 Cal).

GRASAS: constituyen la reserva energética. Cada gramo de grasa proporciona 9 kcal. PROTEÍNAS: constituyen los tejidos vivos. Cada gramo de proteína proporciona 4 kcal.

Equilibrio térmico Cuando ponemos en contacto dos cuerpos, la energía fluye desde el más caliente al más frío, es decir, desde el que tiene más energía cinética media al que tiene menos. La energía térmica no fluye desde el objeto que tiene más energía térmica al que tiene menos. Por ejemplo, si calentamos un vaso de agua con una cerilla, la energía fluye desde la cerilla al agua, y eso que la cerilla, debido a su pequeña masa, contiene muy poca energía (el agua, aún estando templada, contiene mucha más energía). ¿Por qué ocurre esto? Porque al chocar las moléculas rápidas de la llama de la cerilla con las moléculas lentas del agua, SIEMPRE las más rápidas se frenan y las más lentas se aceleran. Por ejemplo, ¿has observado alguna vez que un coche lento choque con otro más rápido, y finalmente el lento se detenga y el rápido adquiera la suma de las dos energías cinéticas? Podemos poner otro ejemplo, aunque un poco más distante: si comparamos la energía con la riqueza, en España hay una mayor riqueza media por habitante que en África. Sin embargo, si sumamos todas las riquezas de todos los habitantes de África, su riqueza es mayor que la de todos los españoles juntos. Si buscamos compartir la riqueza de forma solidaria entre todos los humanos, ¿qué país debe donar riqueza, el que tiene una mayor riqueza media o el que tiene una mayor riqueza en cantidad absoluta? Una vez conseguida la igualación de temperaturas, se habla de EQUILIBRIO TÉRMICO. Para alcanzar el equilibrio térmico, LA ENERGÍA PERDIDA POR EL OBJETO CALIENTE ES IGUAL A LA ENERGÍA GANADA POR EL OBJETO FRÍO, en valor absoluto. Sin embargo, debemos introducir un signo negativo en esta igualación, ya que la energía perdida es NEGATIVA, porque el símbolo ∆ sabes que significa RESTAR FINAL MENOS INICIAL, y el objeto caliente al final tiene menos energía que al principio. No podemos igualar un número negativo a un número positivo, por tanto:

∆Eganada = ‐ ∆Eperdida


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Esta ecuación permite calcular la temperatura final de equilibrio. Pero también nos permite calcular calores específicos desconocidos. Para que esta ecuación sea totalmente cierta no debe haber fugas de energía que vayan a otros objetos, por lo que el sistema debe estar AISLADO. La mejor forma de hacerlo es con un recipiente especial llamado CALORÍMETRO, que en esencia es como un TERMO. Ejercicio resuelto: Si deseamos preparar un baño de 105 L agua a 25°C mezclando agua fría (15°C) y agua caliente (50°C). ¿Qué cantidad debemos emplear de cada una? Despreciar la energía absorbida por la bañera.

Escribimos las expresiones para calcular la energía ganada por el agua fría y la perdida por el agua caliente: ∆Eganada = mf ∙ c ∙ (25 – 15) = 10 ∙ mf ∙ c ∆Eperdida = mc ∙ c ∙ (25 – 50) = ‐ 25 ∙ mc ∙ c El problema no nos da como dato el calor específico del agua, pero como es el mismo para el agua caliente y el agua fría, se va a ir. Observa que la energía perdida es negativa, pero vamos a igualar los valores absolutos de ambas energías, cambiando el signo a una de ellas:

10 ∙ mf ∙ c = 25 ∙ mc ∙ c mf = 2,5 ∙ mc

Tenemos una ecuación con dos incógnitas, imposible de resolver. Necesitamos relacionar las dos incógnitas con una nueva ecuación, para establecer un sistema, utilizando el dato de la cantidad de agua total que queremos que tenga la bañera: 105 litros, es decir, 105 kilogramos.

mf + mc = 105 2,5 mc + mc = 105

3,5 mc = 105 mc = 30 kilogramos mf = 75 kilogramos

Observa que hemos empleado el método de sustitución. Las unidades no se nos deben olvidar una vez finalizado el problema.

Cambios de estado

Cuando un sólido se convierte en líquido, o un líquido en gas, las moléculas se separan, adquiriendo una mayor energía potencial. Por tanto, es necesario aportar una cierta cantidad de energía, que se denomina tradicionalmente calor latente. Esta cantidad de energía depende sólo de la sustancia de la que se trate y de la cantidad de sustancia que cambia de estado. Cuando se producen los cambios de estado inversos, de gas a líquido y de líquido a sólido, la energía potencial disminuye, devolviéndose la energía invertida en el cambio de estado directo. Este es el significado de la palabra “latente” (algo que permanece escondido).

Observa en la gráfica que, mientras ocurre un cambio de estado, la temperatura se mantiene constante. El calor aportado en el cambio de estado (calor latente) se invierte en separar las moléculas, aumentando su energía potencial, pero manteniendo su energía cinética (temperatura). El calor necesario para producir un cambio de estado se puede calcular con la fórmula:

ENERGÍA APORTADA

FUSIÓN

EBULLICIÓN


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Esta definición se deduce directamente de la fórmula anterior, ya que si m = 1 kg, el calor latente es igual a la variación de la energía interna. Tabla de calores latentes de fusión y ebullición de algunas sustancias Sustancia T fusión ºC Lf ·103 (J/kg) T ebullición ºC Lv ·103 (J/kg) Hielo (agua) 0 334 100 2260 Alcohol etílico -114 105 78.3 846 Acetona -94.3 96 56.2 524 Benceno 5.5 127 80.2 396 Aluminio 658.7 322-394 2300 9220 Estaño 231.9 59 2270 3020 Hierro 1530 293 3050 6300 Cobre 1083 214 2360 5410 Mercurio -38.9 11.73 356.7 285 Plomo 327.3 22.5 1750 880 Potasio 64 60.8 760 2080 Sodio 98 113 883 4220

Fuente: Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Manual de Física elemental, Edt. Mir (1975) págs. 74-75.

Formas de transmisión de la energía térmica

• Conducción: es la forma que hemos descrito al hablar de equilibrio térmico: una molécula rápida choca contra otra lenta y le transfiere energía. Esta es la forma de transmisión de calor más habitual en SÓLIDOS. Podemos diferenciar dos tipos de sólidos: los CONDUCTORES, que transmiten rápidamente la energía a todos sus puntos (los metales) y los AISLANTES (plástico, madera, vidrio…), que pueden mantener importantes diferencias de temperatura entre dos partes del mismo sólido. Esa es la razón de que se quiebren los vasos de cristal con los cambios de temperatura: la parte más caliente se dilata y aumenta su tamaño, mientras que la parte más fría permanece con su mismo tamaño, y el cristal (que es muy poco flexible) no resiste dicha tensión. El cristal resistente a los cambios de temperatura basa su efecto en que se dilata muy poco (cristal de laboratorio, por ejemplo).

• Convección: se debe a la circulación de LÍQUIDOS y GASES debido a la diferente densidad. Cuando un sólido o líquido se calientan, sus moléculas se agitan más rápido, separándose un poco. De modo que AUMENTA EL VOLUMEN (fenómeno conocido como dilatación) y por tanto DISMINUYE LA DENSIDAD. Actúa entonces la fuerza de empuje, desplazando al líquido o gas caliente hacia arriba. Es el mecanismo de distribución de energía en la atmósfera (está más caliente la parte que pega al suelo), pero al mismo tiempo impide la mezcla de las aguas frías del fondo del océano (4°C) con las aguas cálidas de la superficie.

• Radiación (ENERGÍA RADIANTE): se debe a la emisión de ondas electromagnéticas por parte de los objetos calientes, las cuales puede atravesar el vacío y ciertos tipos de materia (transparente). Cuanto más caliente está un objeto, más energía radiante emite. Por ejemplo, nuestro cuerpo emite una pequeña cantidad de RADIACIÓN INFRARROJA, la cual puede detectarse con cámaras especiales, pero el Sol emite grandes cantidades de LUZ VISIBLE, aparte de radiación infrarroja y otras radiaciones más

SE LLAMA CALOR LATENTE (L) DE CAMBIO DE ESTADO A LA ENERGÍA NECESARIA PARA PRODUCIR EL CAMBIO DE ESTADO DE 1 KILOGRAMO DE ESA SUSTANCIA, cuando está a la temperatura del cambio de

estado (sin que haya, por lo tanto, ningún cambio en la temperatura)


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energéticas. Cuando un objeto absorbe energía radiante, aumenta su temperatura: por ejemplo, un lagarto que se pone al Sol para calentar su cuerpo, o un vaso de leche que calentamos en el horno microondas. Hay radiaciones más energéticas y otras menos: el ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO, de menos a más energía, sería el siguiente:

Ondas de radio y televisión: son las de más baja energía, por tanto se necesita poca energía para emitirlas. Estas ondas no se pueden percibir por los sentidos, son invisibles e inaudibles. Al ser recibidas por un aparato adecuado (radio, televisor), se transforman en sonido y luz que pueden detectar nuestros sentidos.

Microondas: en principio fueron utilizadas en los RADARES para detectar objetos por el eco (cuando las ondas rebotan y vuelven a la antena del radar). Un técnico de radares observó que una barra de chocolate que tenía en su bolsillo se derritió mientras manipulaba el aparato de radar, y a partir de ahí surgió la idea de construir hornos de microondas.

Radiación infrarroja: se puede detectar con cámaras especiales, traduciendo la temperatura a colores. De este modo se puede estudiar el clima de la Tierra, se pueden detectar personas o animales de sangre caliente en la oscuridad, se puede estudiar el cuerpo humano (los tumores suelen estar a una mayor temperatura que el resto del cuerpo), etc.

Luz visible: su energía es aprovechada por las plantas para realizar la FOTOSÍNTESIS.

Radiación ultravioleta: su energía tan alta puede dañar las células de la retina de los ojos, y de la piel, por lo que debemos protegernos con gafas de sol y cremas protectoras. La protección natural del cuerpo es la MELANINA, sustancia que oscurece el pelo, los ojos y la piel, pero no todas las personas la producen en la misma cantidad. De hecho, algunas personas y animales son incapaces de fabricarla, padeciendo una enfermedad de nacimiento llamada ALBINISMO.

Rayos X: su energía es muy alta, por lo que los médicos intentan mandar la menor cantidad de RADIOGRAFÍAS posible. El médico que realiza diariamente cientos de ellas se protege detrás de un escudo adecuado. Las mujeres embarazadas o que pudieran estarlo no deben realizarse radiografías, porque podría producir malformaciones en el futuro bebé.

Rayos gamma: su altísima energía es producida en las reacciones nucleares, tanto las que se producen con las explosiones atómicas, como también en las explosiones de las estrellas.

Ahora podemos comprender el funcionamiento de un TERMO para mantener la temperatura (fría o caliente) de la sustancia introducida en su interior. Su pared es gruesa, y en su interior está hecho el VACÍO, por lo que no conduce el calor a su través (en el vacío no hay moléculas). Para evitar la convección, se dispone de un tapón cerrado herméticamente, o de otro modo el aire caliente escaparía, llevándose la energía. Por último, para evitar que la radiación atraviese el vacío, se recubre el interior del termo con un espejo, así la radiación se refleja y permanece en el interior del termo.

A5.14 ¿Cuál es el origen de la energía necesaria para hacer una actividad física, por ejemplo, caminar? ¿En qué se transforma esa energía, una vez utilizada? Compáralo con las transformaciones energéticas que ocurren en un vehículo a motor.

A5.15 “Una cucharada de azúcar contiene sólo 20 Calorías”. Exprésalo en unidades internacionales y descubrirás por qué los fabricantes de azúcar prefieren utilizar esta unidad. A5.16 Calcula los gramos de azúcar que necesitamos consumir para subir andando a la Torre Eiffel (300 metros – 1665 escalones), suponiendo que pudiéramos aprovechar toda la energía del azúcar. COMENTARIO: No saques la conclusión de que necesitamos comer muy poco: piensa que el órgano de nuestro cuerpo que más energía consume es el cerebro y que una gran parte de la

energía que consumimos se desprende en forma de calor.


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A5.17 Un fusil M16 dispara verticalmente una bala de 50 g con una velocidad de 900 m/s.

a. ¿Qué energía cinética tiene la bala al salir del fusil? b. ¿De dónde ha salido esa energía cinética? c. ¿Qué energía cinética tendrá la bala cuando esté a una

altura de 500 m? ¿A qué velocidad se moverá en ese momento?

d. ¿Qué energía potencial tendrá la bala cuando alcance su altura máxima, despreciando el rozamiento? ¿Cuál será dicha altura?

e. ¿Puede ser peligroso disparar balas al aire, como hacen en algunos países para celebrar ciertos acontecimientos?

f. Si la bala cae al suelo con una velocidad de 40 m/s, ¿cuánta energía ha perdido debido al rozamiento? g. ¿Puede hacer daño una bala de 50 g a 40 m/s? Calcula a qué velocidad se debe mover un martillo de 500

g para tener la misma energía cinética que dicha bala (y hacer el mismo daño, por tanto). h. Suponiendo que, cuando la bala se estrelle finalmente contra el suelo, toda su energía se ha convertido en

energía térmica, calcula el incremento de temperatura de la bala. Busca el calor específico del hierro en la tabla anterior.

A5.18 ¿Cuánta energía se requiere para calentar 1 litro de agua desde los 18 °C hasta su temperatura de ebullición (100 °C)? ¿Y si se trata de aceite, cuya temperatura de ebullición es 185 °C, se requeriría más o menos energía?

• ¿Por qué, entonces, es más grave una quemadura con aceite hirviendo que con agua hirviendo? • Un bidón contiene 20 litros de agua a 60°C y otro contiene 20 litros de aceite a la misma temperatura.

Cuando se enfrían hasta 25 °C, ¿qué bidón transfiere más energía al medio ambiente? • ¿Por qué se utiliza agua en los sistemas de calefacción central?

A5.19 ¿Qué fundirá a una temperatura superior, 1 kg de hielo o 1 gramo de hielo? Explícate.

• ¿Qué significa que la temperatura de fusión de un líquido sea una propiedad “característica”? • ¿A qué temperatura se encuentra el agua obtenida al fundir 1 kg de hielo? • El calor latente de fusión del hielo es de 80 cal/g. Compáralo con la energía necesaria para calentar 1 g de

hielo desde ‐18 °C (temperatura de un congelador) hasta 0 °C, más la energía necesaria para calentar el agua resultante desde 0 °C hasta 20 °C (temperatura ambiente de una bebida).

• ¿Por qué se utiliza hielo para enfriar las bebidas, en lugar de agua fría a 0 °C? A5.20 El calor latente de ebullición del agua es de 540 cal/g. ¿Qué significa este dato?

• Si regamos la acera en verano, se refresca bastante. Compara la energía que absorbe un litro de agua desde 20 °C hasta 60 °C (temperatura de la acera) con la energía necesaria para evaporarlo. ¿Cuál es el factor determinante en el poder del agua para refrescar la acera?

• Si el agua en vez de estar a 20 °C se encuentra inicialmente a 10 °C, ¿se notará mucho? A5.21 Se desea determinar el calor específico de un metal. Para ello se toma una muestra del metal de 10 g y se calienta hasta 100 °C; una vez alcanzada dicha temperatura se introduce el trozo de metal en un calorímetro que contiene 50 g de agua a la temperatura de 18 °C. La temperatura final de equilibrio de la mezcla es 20 °C.

a) ¿Cuál es la mejor forma de calentar un trozo de metal justo hasta 100 °C? b) Determina el calor específico del metal.

A5.22 La combustión de 32 g de alcohol etílico produce 173,65 kcal.

a) Qué energía se obtiene al quemar 10 cm3 de alcohol etílico (d = 0,79 g/cm3). b) Con el calor generado en la combustión anterior se calienta un chorizo de 50 g a 15 °C (suponer el

mismo calor específico que el agua). ¿Cuál será la temperatura alcanzada por el chorizo?

A5.23 Se mezclan 100 g de agua a 20 °C con medio litro de agua a 50 °C. ¿Cuál será la temperatura final de la mezcla?

• ¿De cuál de las dos temperaturas se encuentra más próxima la temperatura final? ¿Por qué?


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A5.24 Con un horno microondas queremos calentar un vaso de leche (250 g) (ce = 0'9 cal/g °C) desde 4 °C (temperatura del frigorífico) hasta 40 °C. ¿Qué energía será necesaria para calentar la leche?

• Si en vez de meter el vaso lleno, le ponemos sólo 150 g de leche, ¿qué temperatura alcanzará en el mismo tiempo?

A5.25 Un herrero está forjando una pieza de hierro cuya masa es de 1 kg. La echa sobre 5 litros de agua que se encuentran inicialmente a 20 °C, siendo la temperatura final de la mezcla 42 °C. ¿Cuál era la temperatura del hierro antes de sumergirlo en el agua? Consulta su calor específico en la tabla.

A5.26 En un calorímetro tenemos 400 g de aceite a 160 °C. Se nos cae dentro una cuchara de aluminio de 50 g que está a temperatura ambiente (20 °C). ¿Cuál será la temperatura final de la cuchara? ¿Y la del aceite? Consulta los calores específicos.

A5.27 Introducimos en el congelador de un frigorífico un cazo de aluminio con medio litro de agua. ¿Qué se enfría más rápido, el aluminio o el agua?

• Al cabo de dos horas, toda el agua está congelada. ¿Qué tendrá una temperatura más baja: el cazo de aluminio o el agua? Explica la respuesta.

A5.28 En las cataratas de Niágara, el agua cae desde una altura de algo más de 50 metros. Si toda la energía potencial del agua se utiliza para calentar elevar su temperatura, ¿cuál será el incremento de temperatura? A5.29 Al llegar a clase por la mañana, tras una fría noche de enero, ¿qué estará más caliente: el tablero metálico o las patas metálicas del pupitre? Explica la respuesta. 6.‐ LAS ONDAS Una onda es la propagación de la energía a partir de un punto (llamado foco) SIN DESPLAZAMIENTO

DE LA MATERIA. Multitud de fenómenos que conocemos son ondas:

• Las olas del agua: si tiras una piedra al agua, una parte de la energía cinética de la piedra se transmite al agua. A partir del punto donde ha caído, se forman círculos de un tamaño cada vez mayor: son las ondas. La materia no se desplaza, simplemente sube y baja. Podemos comprobarlo colocando un objeto que flote en el agua, por ejemplo una hoja. Las olas pasan por debajo de la hoja, mientras ésta simplemente sube y baja. (Si el agua se desplazara junto con las olas, en el lugar donde ha caído la piedra quedaría un agujero). En el mar, las olas se forman por el viento, que transmite energía a la superficie del agua. Al llegar a la orilla, la ola “rompe”, y entonces sí se pone en movimiento el agua (deja de ser una onda).

• El sonido: cuando un objeto vibra, esta vibración se transmite al aire a su alrededor. En el aire se forman ondas de sonido, invisibles, que cuando llegan a nuestro oído ponen en vibración nuestro órgano del oído. Observa que la onda sonora ha transportado la energía del objeto que vibra hasta provocar cambios en nuestro oído.


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• Ondas sísmicas: los terremotos se originan por movimientos bruscos de la corteza terrestre. Los movimientos de las placas litosféricas no son continuos, sino que van acumulando energía durante años, tensando las rocas, hasta que se supera el límite de elasticidad, y las rocas se fracturan. Este movimiento se transmite a través de la materia sólida hasta llegar a la superficie, donde puede destruir objetos que no sean suficientemente elásticos (los árboles, por ejemplo, no se destruyen con un terremoto). En Japón están construyendo edificios resistentes a los terremotos, utilizando estructuras elásticas. Si la onda se transmite al agua del océano, se puede formar un tsunami.

• Ondas electromagnéticas: estas ondas, de las cuales hemos hablado ya, tienen un origen diverso. Por ejemplo, las ondas de radio y televisión se originan por el movimiento de electrones dentro de una antena emisora. Para poner en movimiento los electrones se necesita energía, la cual es transmitida por la onda a través del aire o del vacío hasta llegar a una antena receptora. Los electrones de la antena receptora se ponen también en movimiento, y este movimiento se amplifica y convierte en sonido o en imagen. Estas ondas, aunque parezcan continuas, están formadas por pequeños paquetes de energía llamados fotones.

Como vemos, para producir una onda se necesita energía, la cual se transmite hasta otro punto en el cual produce cambios. Si examinamos detenidamente cualquier onda, descubriremos que hay partículas que vibran, es decir, oscilan de un lado a otro sin desplazarse. En una partícula que vibra, como en un péndulo, se intercambian constantemente la energía cinética y la potencial. Esta energía se transmite a la partícula vecina, gracias a la unión que existe entre ellas. En cualquier onda, podemos distinguir las siguientes características:

• Velocidad: las ondas se propagan siempre con movimiento uniforme y rectilíneo, siempre que no cambie de medio de propagación, porque la velocidad depende del medio. Las ondas se propagan a partir del foco en todas las direcciones, y para llegar de un punto a otro emplean siempre el camino más rápido. Por eso decimos que se propagan en línea recta, pero si hay un cambio de medio, la línea recta no es el camino más rápido: la onda se “dobla” al pasar de un medio a otro. Es el fenómeno conocido como refracción, más conocido en el caso de la luz (un lápiz parece doblado al introducirlo a medias en un vaso de agua), pero que se da en todas las ondas.

• Frecuencia: es el número de vibraciones que emite el foco en un segundo. Su unidad internacional es el herzio (Hz) que equivale a una vibración por segundo (s‐1). Estas vibraciones se transmiten a todos los puntos del medio, por lo que la frecuencia es una característica constante en una onda. La frecuencia es percibida por nuestros sentidos de distinta forma:

Los sonidos agudos tienen mayor frecuencia que los graves.

La luz de mayor frecuencia es la de color violeta y la de menor frecuencia es la de color rojo.

Los fotones de las ondas electromagnéticas transportan mayor energía cuanta mayor frecuencia tengan. Están gobernados por la ecuación de Planck (formulada por Max Planck en el año 1899):

E = h ∙ f

Donde E es la energía del fotón, f es la frecuencia y h es la constante de proporcionalidad, llamada constante de Planck, cuyo valor es 6’63∙10‐34 J∙s.

• Longitud de onda: es la distancia entre una onda y la siguiente. Esta distancia depende de la velocidad de propagación (a más velocidad, más distancia) y del tiempo transcurrido entre una vibración y la siguiente (a mayor frecuencia, menor distancia). Por tanto, la longitud de onda (λ) se puede calcular con la fórmula:

• Amplitud: es la distancia entre la posición extrema de la vibración de una partícula y la posición inicial. Cuanto más se aleje la partícula de su posición inicial, más energía acumula, pero de acuerdo con la


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fórmula de la energía potencial elástica: Epe = ½ ∙ k ∙ x2, la deformación está al cuadrado. Por tanto, la energía de la onda es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud (A): E α A2. Cuando la onda se extiende a partir del punto inicial, la energía (que se debe conservar) se reparte por una superficie cada vez mayor, por lo que la amplitud va disminuyendo. Si la onda se propaga en tres dimensiones, como la superficie de la esfera depende del radio al cuadrado (4∙π∙r2), la energía de la onda es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia hasta el foco (es lo que se llama atenuación). Por ejemplo, si estamos escuchando música, al alejarnos del altavoz hasta el doble de la distancia, el sonido no se escuchará con la mitad de volumen, sino cuatro veces menos. Además está la amortiguación de la onda, ya que el rozamiento entre las partículas convierte en calor una parte de la energía, por lo que la intensidad de la onda disminuye aún más de lo dicho anteriormente.

La intensidad de un sonido se mide en decibelios (décima parte del bel, en honor de Alexander Graham Bell, inventor del teléfono). Es una escala logarítmica, por lo que un gran aumento en intensidad se traduce en un pequeño aumento en decibelios. Se le asignan arbitrariamente 0 decibelios (como referencia) a un sonido de 10‐12 W/m2 (que es, aproximadamente, el mínimo sonido audible). Si la intensidad aumenta 10 veces (10‐11 W/m2), la escala de sonido sube a 10 decibelios (1 bel). Si aumenta 10 veces más, sube a 20 decibelios, y así sucesivamente. Como ejemplo, una perforadora eléctrica emite un ruido de 100 db, mientras que en una biblioteca el ruido es sólo de 10 o 20 db. A partir de 140 db, el sonido produce un fuerte dolor en los oídos, aunque pasando de 60 db el ruido ya es molesto y puede producir sordera a largo plazo.

A5.30 Describe la cadena de transformaciones energéticas desde que un presentador realiza una entrevista en una emisora de radio hasta que tú escuchas esa entrevista en tu casa. A5.31 Una onda sísmica pasa de un tipo de roca a otro. ¿Cuáles de estas características se modifican en el cambio de medio: velocidad, longitud de onda, frecuencia, amplitud? A5.32 Estamos golpeando con un palito rítmicamente en la superficie de un charco, produciendo una onda cada segundo. Si aumentamos el ritmo, produciendo una onda cada medio segundo, ¿cuáles de las siguientes características de la onda se modifican: velocidad, longitud de onda, frecuencia, amplitud? A5.33 Si hablamos con otra persona a través de un tubo, el sonido se escucha sorprendentemente fuerte, más que si hablamos con la misma persona a la misma distancia, sin tubo. ¿Por qué?

• ¿Cómo disminuye con la distancia la intensidad de las ondas en la superficie de un lago? A5.34 Cuando el sonido se aleja del foco emisor, cada vez se mueve más despacio (debido al rozamiento) hasta que se para. ¿Verdadero o falso?

• ¿A dónde va toda la energía emitida por los altavoces en un concierto de rock? • Si la intensidad del sonido en dicho concierto es 110 db, ¿cuántas veces más energética es esta onda que

la que produce un tren (80 db)? ¿Qué consecuencias puede tener este dato? A5.35 El pueblo A está situado a 10 km del hipocentro de un terremoto, mientras el pueblo B está situado a 20 km. Despreciando la amortiguación de la onda, ¿es cierto que en el pueblo B la intensidad del terremoto es la mitad que en el pueblo A?

• ¿Y es cierto que la amplitud de la onda en B es la mitad que en A? A5.36 ¿Es cierto que el sonido agudo de una rata lleva más energía que el sonido grave de un tractor?

• ¿Y es cierto que la luz visible transporta más energía que las microondas? • Si la luz viaja a 300.000 km/s, determina la frecuencia de un fotón de rayos X (λ = 10 nm) y de un fotón de

luz visible (λ = 780 nm). Calcula a cuántos fotones de luz visible equivale un solo fotón de rayos X. Recuerda que 1 nanómetro (nm) equivale a 10‐9 metros.


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7.‐ FORMAS DE TRANSFERIR ENERGÍA: CALOR Y TRABAJO Estas dos palabras se usan en el lenguaje cotidiano con un significado muy diferente al que tienen en física, así que debes prestar atención al uso que hacemos de estas palabras. Trabajo La palabra trabajo suele referirse a la fatiga o al esfuerzo: “me ha costado mucho trabajo partir esta nuez” o “el héroe realizó un gran trabajo sujetando la puerta para que el enemigo no la abriera”.

En Física, el trabajo (W – de la palabra inglesa work) es la transferencia de energía a un objeto mediante la aplicación de una fuerza a un objeto que se mueve. Sólo la componente de la fuerza en la dirección del movimiento (F ∙ cos α) realiza trabajo, por lo que la expresión que permite calcular el trabajo es:

Trabajo = Fuerza ∙ desplazamiento ∙ coseno del ángulo formado por (F y d)

Si el trabajo es POSITIVO (ángulo entre 0° y 90°), AUMENTA la energía del objeto, porque la fuerza es a favor del movimiento. Si el trabajo es NEGATIVO (ángulo entre 90° y 180°), DISMINUYE la energía del objeto. Si el ángulo es exactamente 90°, NO SE REALIZA TRABAJO, puesto que no se consigue aumentar ni disminuir la velocidad del objeto. Por ejemplo, un satélite en órbita sólo recibe una fuerza centrípeta perpendicular a su movimiento, por lo que el trabajo es cero y su altura (energía potencial) y velocidad (energía cinética) son constantes. Date cuenta que cuando un objeto realiza un trabajo positivo sobre otro, debe consumir algún tipo de energía, por ejemplo un caballo tirando de un carruaje, consume la energía de los alimentos, para que se cumpla el principio de conservación de la energía. Por el contrario, si un objeto recibe un trabajo negativo la energía perdida debe transformarse en otro tipo de energía, o transferirse a otro objeto. Por ejemplo, el rozamiento, que siempre se opone al movimiento, produce un aumento de temperatura en las superficies que rozan (¡frótate las manos!).

Puesto que el trabajo es energía intercambiada entre dos sistemas, su unidad es la misma que la de la energía, el JULIO (en el Sistema Internacional). Precisamente, podemos definir el julio como la energía transferida a un objeto cuando se le aplica una fuerza de 1 Newton mientras el objeto se desplaza 1 metro (como por ejemplo, al subir un objeto de 100 gramos desde el suelo hasta una altura de 1 metro). Como ves, es una unidad de energía bastante pequeña.

Hay que diferenciar claramente entre trabajo y fuerza. Para que haya trabajo, no sólo se necesita que exista fuerza, sino que además se debe desplazar el punto de aplicación de dicha fuerza, en una dirección que no sea perpendicular. Cuando un cuerpo cuelga de una cuerda, por ejemplo, la cuerda tiene que ejercer una fuerza para contrarrestar el peso del cuerpo. Pero mientras no haya desplazamiento, no hay trabajo, ya que no hay ninguna transferencia de energía.


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Se puede demostrar que el trabajo neto que actúa sobre un objeto se invierte en aumentar (o disminuir) su energía cinética:

WTODAS = EcFINAL ‐ EcINICIAL

Ten en cuenta que el trabajo neto se refiere al trabajo realizado por TODAS las fuerzas. Si sobre un cuerpo que se desplaza actúan varias fuerzas, cada una de ellas puede realizar trabajo, pero el objeto sólo puede tener UNA energía cinética, de modo que es la suma de los trabajos realizados por todas las fuerzas (o bien el trabajo realizado por la fuerza resultante) lo que hace cambiar la energía cinética. También es fácil de demostrar que el trabajo que realiza la fuerza peso se hace a costa de disminuir su energía potencial (si el trabajo es positivo):

WPESO = EpINICIAL ‐ EpFINAL

Date cuenta de que está cambiado el orden habitual: aquí es INICIAL MENOS FINAL. En efecto, cuando un objeto cae, el trabajo de la fuerza peso es POSITIVO, y su energía potencial (altura) inicial es mayor que la final. Por tanto, para obtener un trabajo positivo, debemos restar la energía potencial inicial menos la final, en este orden. Si el trabajo que realiza la fuerza peso es negativo (al elevar un objeto), su energía potencial aumenta. Esta misma fórmula vale también para el trabajo realizado por la fuerza elástica. Cuando sobre un objeto actúa la fuerza peso (o elástica) junto con otras fuerzas, el resto de las fuerzas hacen variar la energía mecánica (suma de cinética más potencial) del objeto. O dicho de otro modo, más claramente, si sobre un objeto SOLO ACTÚA LA FUERZA PESO (o elástica), su ENERGÍA MECÁNICA SE CONSERVA. Por ejemplo, en el lanzamiento de un cohete, mientras los motores están encendidos, la energía mecánica (cinética‐velocidad y potencial‐altura) está en constante aumento, pero al apagarlos su energía mecánica permanece constante. Sin embargo, el rozamiento, al realizar siempre un trabajo negativo, hace disminuir la energía mecánica, hasta llegar a cero. Por ejemplo, el rozamiento con las altas capas de la atmósfera es responsable de que los satélites artificiales, después de muchos años de funcionamiento, acaben cayendo a tierra.

Calor En el lenguaje cotidiano, el calor es sinónimo de alta temperatura. Cuando decimos “tengo calor”, lo que queremos decir es “hace una temperatura muy alta”. En física, en cambio, se denomina calor a la energía térmica transferida de un objeto a otro. Por tanto, el calor NUNCA SE TIENE, SIEMPRE SE DA O SE RECIBE. Un objeto con alta temperatura, no tiene calor, lo que tiene es energía térmica. Lo que sí está bien dicho es “acércate a la estufa para que te de calor”

Entonces... ¿qué es el frío?

RECUERDA: cuando un objeto posee tanto energía cinética como potencial, a la suma de AMBAS, se la suele denominar ENERGIA MECÁNICA, la cual permanece constante siempre que no realicen

trabajo las fuerzas distintas al peso (por ejemplo, fuerzas de rozamiento)

Diferencias entre calor y temperatura La temperatura es una magnitud relacionada con la energía cinética media de las moléculas. NO tiene sentido hablar de la temperatura de UNA molécula ya que se trata de una magnitud estadística del CONJUNTO de moléculas. Su unidad internacional es el Kelvin, o más comúnmente, el grado centígrado. El calor es la energía transferida de un objeto caliente a otro más frío. NO tiene sentido hablar del calor que TIENE un objeto, porque siempre se DA o se RECIBE. Su unidad internacional es el Julio, antiguamente la caloría.


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En la vida ordinaria, expresiones como "cierra la puerta, que entra frío", "qué frío hace hoy", o "es una persona muy fría" son más o menos habituales. Sin embargo "el frío" no es algo material que puede entrar o salir de un lugar, sino que lo que queremos decir es “temperatura baja”. Por tanto, "el frío" NO ES una palabra necesaria en Ciencia (“el frío no existe”), y todas las expresiones en las que aparece la palabra "frío" pueden ser explicadas en términos de temperatura y energía interna. Por ejemplo, la expresión "entra frío por la ventana" se explicaría diciendo que entra aire a baja temperatura. Cuando "enfriamos" algo, en realidad lo que hacemos es ponerlo en contacto con otro objeto que esté a menor temperatura, de modo que el objeto que queremos enfriar desprende energía (o calor), y baja su temperatura. Si queremos “abrigarnos para no tener frío”, lo que hacemos es impedir, mediante un aislante térmico, que el calor escape de nuestro cuerpo. Principios de la Termodinámica

La Termodinámica es la parte de la física que se ocupa de la conversión de calor en trabajo o viceversa, es decir, se ocupa del funcionamiento de las “máquinas térmicas”. Esta ciencia se desarrolló a principios del siglo XIX, en paralelo con la Revolución Industrial, ya que se necesitaba conocer las leyes que gobernaban el funcionamiento de la máquina de vapor y, más tarde, los motores de explosión (como el motor de gasolina y el motor diesel), para perfeccionar su rendimiento. En una máquina térmica, se necesita una fuente de calor (caldera), en la que se quema el combustible (en principio carbón, más tarde gasolina y gasoil). La máquina convierte una parte de este calor en trabajo (para mover un vehículo o poner en funcionamiento

una máquina industrial), y otra parte es devuelta al medio ambiente (a través del refrigerante, o los gases de escape, o simplemente por conducción). Se denomina rendimiento al porcentaje del calor inicial que es convertido en trabajo. De lo dicho hasta ahora a lo largo del tema, se pueden deducir los dos principios de la termodinámica:

• Primer principio, o principio de la CONSERVACIÓN de la energía: el calor que entra en una máquina térmica es igual a la suma del trabajo realizado más el calor que se devuelve al medio ambiente.

QENTRA = QSALE + W

En esta fórmula no se han tenido en cuenta los signos, sino sólo los valores absolutos. Este principio terminó con los intentos por construir una máquina “de movimiento perpetuo”, una máquina que realizase trabajo sin consumir ningún tipo de energía. • Segundo principio, o principio de la DEGRADACIÓN de la energía: no es posible construir una máquina

con un rendimiento del 100%. El rendimiento máximo de una máquina es mayor cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el medio ambiente.

Este principio acaba con nuestra ilusión de aprovechar las altas temperaturas del medio ambiente para producir trabajo. Cierto que si el medio ambiente tiene una temperatura alta, tiene también mucha energía, pero esa energía está degradada, es decir, no se puede aprovechar, mientras que no haya una diferencia de temperatura importante con otro lugar. Pero también nos abre posibilidades de aprovechamiento energético para el futuro, buscando diferencias de temperatura: por ejemplo, cerca de los volcanes o a distintas profundidades del océano.


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Existen también máquinas térmicas que funcionan exactamente al revés, consumen trabajo y absorben energía de un lugar frío, para devolverla a un lugar más caliente. Se trata de las máquinas frigoríficas, entre las que podemos incluir también los aparatos de aire acondicionado. La ley que las gobierna es prácticamente la misma que antes, pero al revés:

QSALE = QENTRA + W

Es importante resaltar que una máquina frigorífica siempre expulsa calor por algún sitio, y que el calor que expulsa es mayor que el calor que absorbe. Por ejemplo, si dejamos la puerta del frigorífico abierta toda la noche, no vamos a conseguir que la cocina esté más fresquita, porque por la parte trasera del mismo se desprende una cantidad de calor SUPERIOR al “frío” que “echa” (o mejor dicho, al calor que absorbe) por dentro. Potencia Hasta ahora nos hemos dado cuenta que el análisis energético de una situación no nos informa nada sobre el tiempo que tarda en producirse la transferencia o transformación de la energía. Sin embargo, en situaciones reales, ese tiempo es muy importante. Es necesario, por tanto, conocer con qué rapidez transforma una máquina la energía. De aquí nace la idea de potencia, definiéndose como el ENERGÍA TRANSFORMADA en la unidad de tiempo:

∆∆

Si la transformación de energía se realiza mediante un trabajo (W) o un calor (Q) podemos sustituir el numerador de esta fórmula por la letra correspondiente. La unidad de potencia en el S.I. es el vatio o watio (W), llamada así en honor de James Watt, ingeniero escocés (1736 ‐ 1819) que mejoró la máquina de vapor hasta hacerla útil para la Revolución Industrial. Esta unidad equivale, como se ve en la fórmula, a un Julio/segundo. Sin embargo, al comienzo de la Revolución Industrial, era interesante conocer la potencia de una máquina comparada con un caballo, que era el motor más utilizado hasta entonces. Por tanto, se definió una unidad que aún se sigue utilizando, el caballo de vapor (CV), que equivale a 736 W. El problema es que esta unidad no es universal, ya que cada país tomó una referencia para la potencia de un caballo (todos los caballos no son, evidentemente, iguales). Así, también se utiliza a veces el caballo de potencia inglés (HP – horse power) equivalente a 746 W. La unidad de potencia brinda la oportunidad de definir una nueva unidad de energía transformada: el kilovatio‐hora (kWh). Esta unidad se define como a la energía transformada por una máquina de 1 kW de potencia (1000 vatios) durante una hora. Esta unidad se utiliza más que el julio, ya que éste resulta una unidad demasiado pequeña para la cantidad de energía que se consume en un hogar o en la industria. Encuentra la equivalencia del kilovatio hora en julios. A5.37 Una persona empuja a una furgoneta que se ha atascado en el barro sin conseguir moverla. Después de media hora, acaba extenuado y sudoroso. ¿Ha realizado trabajo esta persona? Explica la respuesta. A5.38. Un autobús de 3,5 toneladas viaja con una rapidez de 80 km/h cuando entra en una zona de curvas y reduce su velocidad a los 50 km/h. Calcula:

a) Energía cinética que llevaba el autobús al principio b) ¿Qué energía cinética lleva el vehículo cuando entra en la zona de

curvas? c) ¿Qué trabajo han efectuado los frenos? d) ¿Qué transferencia de energía se ha producido?


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A5.39 Determina el valor de tu energía cinética cuando corres a velocidad constante de 12 km/h y expresa el resultado en calorías.

• Si prescindimos del rozamiento, ¿qué trabajo realizas al recorrer 1 kilómetro? • ¿Podemos realmente prescindir del rozamiento?

A5.40 Un objeto de 5 kg de masa se suelta desde una altura de 12 m. Determina:

a) ¿Qué energía cinética tiene el objeto en el instante en que llega al suelo? b) ¿Ha existido transferencia de energía a lo largo del proceso? c) ¿Qué fuerza es la que ha realizado el trabajo de convertir una forma de energía en otra? ¿Cuánto vale

dicho trabajo?

A5.41 Un Bugatti Veyron, partiendo del reposo, alcanza los 100 km/h en 2’5 segundos Calcula:

a) Energía cinética al final del recorrido, si se sabe que la masa del vehículo es de 1888 kg.

b) Trabajo efectuado en el recorrido. c) Potencia del motor en kW y en CV. d) Distancia cubierta por el vehículo en ese tiempo.

A5.42 Un vehículo de 250 kg viaja por una autopista a 90 km/h constantemente ¿Varía su energía cinética? ¿Realiza trabajo el motor del automóvil? Entonces, ¿se cumple en este caso que el trabajo es igual a la variación de la energía cinética? Explícalo. A5.43 Un objeto de 1,5 kg se lanza verticalmente y hacia arriba con una velocidad de 7 m/s Determina la VARIACION de energía cinética hasta el momento en que llega a su altura máxima. Analiza el signo del resultado obtenido. A5.44 Desde lo más alto de un plano inclinado de 28° sobre la horizontal y perfectamente liso, se suelta un objeto de 3 kg de masa. Si la longitud recorrida sobre el plano es de 6 m, calcula:

a) Trabajo realizado por la fuerza peso sobre el objeto. Realiza un dibujo para ver con claridad cuál es el ángulo formado entre la fuerza y el desplazamiento.

b) Energía cinética con que llega ese objeto al final del plano. A5.45 a) Explica las transformaciones de energía que suceden cuando una persona sube un palé de patatas de 80 kg desde el suelo hasta una altura de 2 m.

b) ¿Qué fuerza mínima es precisa para subir el palé? Determina el trabajo realizado por esta fuerza. c) ¿Qué relación existe entre este trabajo realizado y la energía transferida? ¿De dónde procede esa

energía? ¿A dónde ha ido a parar esa energía? d) Si en vez de una persona, utilizamos una máquina, ¿varían las transformaciones de energía? ¿Varía el

trabajo? ¿Varía la potencia? A5.46 Dos bolas iguales de masa 20 kg se encuentran a 6 m de altura. Una se deja caer verticalmente mientras la otra cae por una rampa inclinada de longitud 15 m.

a. Analiza la transformación energética en el proceso de caída de ambos cuerpos.

b. ¿Cuál de los dos llega al suelo con mayor velocidad, si despreciamos el rozamiento?

c. ¿Cuál llega con mayor velocidad, teniendo en cuenta el rozamiento? A5.47 Es frecuente oír la siguiente frase: “Subir por la escalera cuesta menos trabajo que trepar por una cuerda”. ¿Es correcta desde el punto de vista del lenguaje científico? Expresa correctamente la idea que se quiere transmitir. A5.48 Un compañero te comenta: "cuando golpeamos una bola de billar con el taco, la fuerza que tiene el taco se transfiere a la bola". ¿Está bien expresada esta afirmación? Explica la respuesta.

m

ha


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A5.49 Comprimimos 4 cm un muelle horizontal (K = 400 N/cm) en contacto con un cuerpo de 3 kg, de modo que al soltarlo, ese objeto sale despedido y se desliza por una superficie rugosa, hasta que –tras recorrer cierta distancia‐ se detiene.

a. Explica las transformaciones energéticas que han ocurrido. b. ¿Con qué energía cinética sale disparado el objeto? c. ¿Qué trabajo realiza la fuerza de rozamiento? d. ¿Qué distancia ha recorrido si la fuerza de rozamiento vale 2 N?

A5.50 Una esfera de 20 g está situada en el punto A del circuito de la figura, de modo que tras resbalar por la superficie curva y sin rozamiento, de radio 1 m, incide sobre un muelle de constante K = 200 N/cm. Se pide:

a. Realizar un análisis de las transformaciones energéticas que han ocurrido.

b. Determinar cuánto se comprime el muelle. c. Con qué rapidez llega la bola al punto B (justo antes de chocar con el

muelle) d. ¿Cómo hubiera influido el rozamiento?

A5.51 Un coche de 1770 kg circula por una autopista a 140 km/h, pero frena hasta reducir su rapidez hasta los 80 km/h cuando divisa un coche de la Guardia Civil. Se pide:

a. ¿Cuál ha sido la variación de energía experimentada por el auto? Expresa el resultado en Kilocalorías.

b. ¿Qué trabajo han efectuado los frenos? c. ¿Qué transformación energética ha ocurrido? d. Suponiendo que los discos de hierro de los frenos absorben toda

la energía del automóvil, calcula el incremento de temperatura que sufren, si su masa es de 20 kg. Busca el calor específico del hierro.

e. Circular a 140 km/h no es peligroso sólo por el riesgo de multa. Para hacerte una idea de la gravedad de estrellarse a esa velocidad, ¿desde qué altura habría que dejar caer el mismo coche para que produjera los mismos efectos que un choque frontal?

A5.52 Dejamos caer una bola por una pared esférica desde el punto A, como se ve en la figura, de modo que oscila repetidamente de un lado a otro, hasta que se queda parada en el fondo. Explica las transformaciones energéticas que se producen. A5.53 Explica las transformaciones energéticas que tienen lugar en el movimiento de un péndulo simple. ¿Por qué se acaba deteniendo el péndulo? ¿Cómo se consigue mantener un péndulo en constante movimiento, como por ejemplo en un reloj de péndulo? A5.54 Determina la aceleración que puede desarrollar un vehículo de 1200 kg de masa con un motor de 100 caballos de potencia. Para ello, establece primero un tiempo cualquiera, por ejemplo un segundo, y determina la velocidad que adquiere el vehículo, partiendo del reposo, con dicha potencia. A5.55 Se desean extraer 2 m3 de agua de un pozo de 10 m de profundidad, por minuto. ¿Cuál es la potencia mínima de la bomba que hay que utilizar? A5.56 Una freidora contiene 3 litros de aceite a temperatura ambiente (20 °C), y se desea calentarlo hasta ebullición (185 °C). ¿Qué tiempo se necesita si la potencia de la freidora es 2000 W? Busca el calor específico del aceite.

A

B

A


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A5.57 Ponemos a descongelar en un microondas un pollo de 2 kg a ‐18 °C (supóngase el calor específico igual al del hielo), con una potencia de 150 W. Determina el tiempo que tardará el pollo en alcanzar la temperatura de fusión (0 °C), suponiendo que la temperatura es homogénea dentro del pollo, y el tiempo que tardará en descongelarse, manteniendo constante la temperatura.

• ¿Cuál es el inconveniente práctico de descongelarlo a una potencia mayor, para ganar tiempo? • ¿Cómo es más económico, desde el punto de vista energético, cocinar 1 kilogramo de espinacas,

poniéndolas en el microondas, sin agua, en un recipiente hermético, o poniéndolas a hervir en una cacerola?

A5.58 Analiza las transformaciones energéticas que ocurren en un aparato de aire acondicionado.

• ¿Es correcto afirmar que un aparato de aire acondicionado “echa frío”? • ¿A dónde va a parar la energía absorbida de la habitación?

A5.59 ¿Qué tiempo necesita una estufa de 2000 W en calentar el aire de una habitación de 20 m2 y 2’4 m de altura? (calor específico del aire 1000 J/kg∙K)

• ¿Supondría el mismo gasto energético utilizar dos estufas de la misma potencia para tardar menos? • ¿Por qué es más económico colocar la estufa debajo de una mesa camilla? • ¿Podemos ahorrar en la factura del consumo eléctrico si colocamos ventanas de doble vidrio? ¿Por qué? • Otro sistema de calefacción más económico es la “bomba de calor”, consistente en hacer funcionar el

aparato de aire acondicionado “al revés”, es decir, bombeando calor desde el exterior hasta el interior. ¿Por qué es más económico?

7.‐ ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA La energía eléctrica es un tipo de energía potencial. Los electrones que forman la materia pueden desplazarse a lo largo de los cables metálicos, desde un punto a mayor potencial (llamado polo negativo) a otro punto a menor potencial (llamado polo positivo). El POTENCIAL se puede comparar con la ALTURA. En su “caída”, la energía potencial de los electrones se va transformando en otros tipos de energía. Cuando llegan al polo positivo, no pueden acumularse allí, sino que debe existir algún tipo de generador eléctrico que devuelva a los electrones a su potencial inicial, en el polo negativo, a costa de consumir algún tipo de energía. Como vemos, el movimiento de los electrones es circular, de ahí que se denomine CIRCUITO ELÉCTRICO al recorrido completo que realizan los electrones. Veamos en primer lugar los diversos tipos de generadores y, más adelante, nos detendremos en algunos dispositivos que transforman la energía eléctrica.

Generadores Los generadores suministran ENERGÍA a los electrones, para que puedan circular por el circuito. Los generadores NO producen energía (sino que la transforman) ni producen electrones (sino que los ponen en movimiento). El tipo de generador más usual es la PILA O BATERÍA ELÉCTRICA. Su nombre se deriva de la primera pila construida por Alessandro Volta en el año 1800, que consistía en una torre (o pila, que significa “montón”) de monedas de dos metales distintos alternados. En las pilas actuales, uno o los dos metales se han sustituido por diversas sustancias. En todo caso, estas sustancias contienen ENERGÍA QUÍMICA, la cual se va empleando en poner a los electrones en movimiento. Cuando la pila está agotada es porque se han agotado las sustancias químicas que contenía, pero, tal como dice la LEY DE LAVOISIER, la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos. Es decir, la energía de la pila disminuye, pero no su masa (salvo una minúscula cantidad predicha por la ecuación de Einstein). En las pilas recargables, y en las baterías de los coches, los reactivos son especiales y pueden volverse a transformar en productos si aplicamos una corriente eléctrica invertida al generador.


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La principal característica de un generador es su VOLTAJE (V) y su unidad es el VOLTIO (en honor a Alessandro Volta). El voltaje indica la energía que el generador transmite a cada electrón que pasa por él. (En realidad, no es a cada electrón sino a 6,25∙1018 electrones, que es equivalente a un culombio de carga). El voltaje se mide con un aparato llamado VOLTÍMETRO. Equívocos del lenguaje: cuando una batería está agotada, se dice que está “descargada”, y que la vamos a “recargar”. Sin embargo, la “carga” de la batería es siempre la misma, ya que, después de circular por el circuito, vuelve otra vez a la batería. Eso sí, cuando vuelve ya no tiene la energía que tenía cuando salió. Otro tipo de generador, más importante para producir grandes cantidades de electricidad, es LA DINAMO o EL ALTERNADOR. Ambos aparatos producen electricidad a partir del movimiento, aunque el primero produce corriente continua (la de las pilas) y el otro produce corriente alterna (la de los enchufes). Básicamente consisten en una bobina que gira dentro de un imán fijo, o un imán que gira dentro de una bobina (una bobina es un cable enrollado cientos o miles de veces). Para poner en marcha la bobina o el imán se utilizan diversos mecanismos. Los vehículos a motor (y algunas bicicletas) aprovechan el movimiento de las ruedas para recargar la batería, o directamente para encender las luces. Las grandes centrales que suministran electricidad a la red eléctrica son de varios tipos:

Centrales térmicas: las más usuales. Utilizan algún tipo de combustible (gas, carbón o gasoil) para calentar agua, y el vapor a presión (como el que sale por la válvula de la olla rápida) pone en movimiento unas hélices (una turbina), como un ventilador, pero funcionando al revés. Son muy contaminantes (sobre todo las de carbón, porque contiene mucho azufre), producen grandes cantidades de CO2 (que contribuye al efecto invernadero) y utilizan una materia prima que se agotará en este siglo.

Centrales nucleares: utilizan el calor que desprende el uranio para hervir agua, y con el vapor se mueve la turbina. Producen residuos radiactivos que quizás en un futuro se puedan aprovechar para producir más electricidad, pero actualmente supone un problema su almacenamiento. El agua utilizada no se puede devolver al medio ambiente porque puede llevar algo de radiactividad.

Centrales hidroeléctricas: utilizan la salida del agua de un embalse para mover la turbina. El agua luego puede utilizarse para riego o devolverse al cauce del río. Son limpias e inagotables, pero dependen de que llueva lo suficiente.

Centrales eólicas: se están desarrollando mucho en los últimos años unos enormes molinos de viento que producen electricidad. Son limpios e inagotables, pero producen poca electricidad cada torre, por lo que hay que construir muchos aerogeneradores, que afean el paisaje. Además, dependen de que haya viento.

Centrales solares, geotérmicas, maremotrices y otras: están poco desarrolladas porque su uso está limitado a determinados lugares de la Tierra. Por ejemplo, las solares donde haya muchos días de sol, las geotérmicas cerca de volcanes, las maremotrices donde haya mareas muy notables, etc. Son caras de construir, pero son inagotables.

Resistencias Ahora bien, todas las sustancias, por buenos conductores que sean, ofrecen cierta RESISTENCIA (R) al paso de la corriente eléctrica, ya que los electrones chocan contra los átomos del metal. Esta magnitud se mide en ohmios (Ω) en honor a Georg Simon Ohm descubridor de la LEY DE OHM en 1827:

Esta ley expresa la oposición de cualquier metal al paso de la corriente, de modo que cuanto MAYOR sea la resistencia, MENOR será la INTENSIDAD DE LA CORRIENTE (I) que puede circular por el conductor. La intensidad de la corriente se mide en amperios (A), en honor al científico André Ampère, por su invención del AMPERÍMETRO, aparato que mide la intensidad de la corriente. Si queremos aumentar la intensidad de la corriente, deberemos aumentar el voltaje (por ejemplo, poniendo más pilas a una linterna).


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Al chocar los electrones contra los átomos de metal, los ponen en movimiento cada vez más rápido, por lo que aumenta su temperatura. De modo que los electrones, al pasar por un metal, transfieren una parte de su energía que se convierte en calor. Esto es lo que se denomina efecto Joule. Este calor, que muchas veces es indeseado y reduce el aprovechamiento de la electricidad, otras veces es el fundamento del aparato electrodoméstico. Por ejemplo, en un ventilador, la energía eléctrica se desea convertir en movimiento, pero una parte de la energía se emplea en calentar el motor, cosa indeseable. Pero en una plancha o en una freidora, lo que se desea es, precisamente, convertir la energía eléctrica en calor. La potencia de una resistencia es la cantidad de calor convertida por unidad de tiempo, y se mide, lógicamente, en watios (W). La potencia se calcula como el producto del voltaje aplicado y de la intensidad de la corriente. Si combinamos esta fórmula con la Ley de Ohm, podemos obtener otras dos fórmulas, útiles para resolver problemas.

A5.60 Una lámpara tiene las siguientes características: 220 V 60 W

A. Explica el significado de ambos datos. B. Determina el valor de la resistencia de la lámpara. C. ¿Qué intensidad recorre la lámpara cuando se conecta a 220 V? D. Si se conecta a la mitad de voltaje, ¿brillará con la mitad de potencia? E. ¿Cuánto cuesta tenerla encendida un día entero (24 h), a un precio de 0’09 € por

kWh? F. Una bombilla de bajo consumo que emite la misma luz, consume sólo 15 W.

¿Cuánto cuesta tenerla encendida un día entero? A5.61 En las líneas de alta tensión que transportan la electricidad a largas distancias, se pueden alcanzar voltajes de 380.000 voltios.

a) ¿Cómo será la intensidad de la corriente por esas líneas, muy alta o muy baja? b) Justifica por qué se pierde muy poca energía por efecto Joule en las líneas de alta tensión. c) Cuando llega a una ciudad, la tensión debe rebajarse hasta 220 voltios, sin disminuir su potencia.

¿Qué le ocurrirá a la intensidad, aumenta, disminuye o queda igual? A5.62 Una pequeña bombilla tiene las siguientes características: 1’5 V, 5 W. Responde a las siguientes cuestiones:

a. ¿Podemos conectar la lámpara a una pila de 4’5 V? Explica lo que puede ocurrir. b. Determina el valor correspondiente a la resistencia de la lámpara.

A5.63 Una central térmica produce 240 MW (megavatios), mediante la combustión de gasoil (poder calorífico 10000 kcal/kg). ¿Cuántos kilogramos de gasoil necesita diariamente, suponiendo un aprovechamiento del 100% de la energía? A5.64 Explica las transformaciones energéticas que se producen en cada uno de los tipos de centrales que se han explicado.

A5.65 ¿Cuántos aerogeneradores de 2 MW se necesitan para abastecer a una población de 10.000 hogares, suponiendo una potencia de 5 kW por hogar?

• ¿A cuántos hogares puede abastecer una central nuclear de 1000 MW? • Resume las ventajas e inconvenientes de ambos tipos de generación de electricidad.

Resumen de las unidades de electricidad: Voltaje (V) entre los polos de la pila: voltio (V). Resistencia (R): ohmio (Ω). Intensidad (I): amperio (A).


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A5.66 En México, para producir un metro cúbico de agua desalada, una planta desaladora de ósmosis inversa consume un litro de petróleo. Una ciudad de 300.000 personas necesita un metro cúbico de agua por segundo. Suponiendo un poder calorífico del petróleo de 10000 kcal/kg, ¿cuál sería la potencia consumida por la planta desaladora, en MW?

• Otra desaladora térmica necesita producir 400 toneladas/hora de vapor, para producir la misma cantidad de agua desalada. Busca el calor latente de vaporización del agua, y determina si la potencia consumida por esta segunda desaladora es mayor o menor que la primera.

• En España, el consumo medio de las desaladoras es 3 kWh/m3. El consumo de estas centrales ¿es mayor o menor?

A5.67 Una dinamo de una bicicleta está conectada a una bombilla de 25 W. Para mantenerla encendida durante un trayecto de 1 hora, ¿cuántas kilocalorías debe consumir el ciclista?

EJERCICIOS DE REPASO Y REFUERZO

1. Desde lo alto de una azotea situada a 15 m del suelo se lanza un cuerpo con una rapidez de 7 m/s de tres maneras diferentes: verticalmente y hacia arriba, verticalmente y hacia abajo y horizontalmente hacia el frente. ¿En que caso llegará al suelo con mayor rapidez? ¿Dependerá el resultado de la masa del cuerpo? Explica la respuesta.

2. ¿Desde qué altura habría que dejar caer un cuerpo para que llegue al suelo con velocidad de 4 m/s?

¿Depende el resultado de la masa del cuerpo?

3. Desde la parte inferior de un plano inclinado 25° sobre la horizontal se lanza hacia arriba un objeto con una rapidez de 4 m/s. Calcula hasta qué altura llegará.

4. Analiza las transformaciones energéticas que se ponen de manifiesto cuando una persona sube una

cuesta en bicicleta a velocidad constante.

5. Un calefactor eléctrico desarrolla una potencia de 500 W. ¿Qué tiempo tardará en calentar dos litros de agua desde 18 °C hasta 100 °C? Si lo dejamos encendido por descuido, ¿cuánto tiempo tardará en evaporarse toda el agua? Buscar los datos necesarios.

6. Lanzamos verticalmente y hacia arriba un cuerpo de 7 kg de masa con una rapidez de 12 m/s Determina:

a) trabajo que se realiza sobre él hasta el momento en que llega a su punto más elevado, indicando la fuerza responsable.

b) Energía cinética del objeto cuando pasa por la mitad de su altura

7. Mezclamos 5 L de agua a 12 0C con 12 L de este mismo líquido a 58 0C. Sin necesidad de buscar el calor específico, determina la temperatura final de equilibrio en la mezcla.

8. ¿Desde qué altura habría que dejar caer un cuerpo para que llegara al suelo con una rapidez de 10 m/s?

Para que llegara al doble de velocidad, ¿habría que dejarlo caer desde una altura doble?

9. Determina la cantidad de energía necesaria para llevar 800 g de hielo desde los ‐12 0C hasta los 8 °C. Busca los datos que necesites. Si esta transformación la realizamos en un microondas de 900 W de potencia, ¿cuántos minutos necesita?

10. Un meteorito de 10 kg impacta a 30 km/s sobre el hielo. Admitiendo que en el impacto toda la energía se

trasforma íntegramente en calor, ¿qué cantidad de hielo a 0 0C podría derretirse con ese calor?

11. Una empresa de mudanzas baja mediante una grúa (con rapidez constante de 0’5 m/s) un televisor de 25 kg desde un cuarto piso (altura de 12 m). Están evaluando la posibilidad de bajarlo por la escalera, tardando 3 minutos. ¿En qué caso hay que realizar un mayor trabajo? ¿En cuál de los dos casos se necesita una mayor potencia?


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12. Si la energía no se crea ni se destruye, ¿a qué se debe la crisis energética mundial?

13. Desde la parte inferior de un plano inclinado 25° sobre la horizontal, sin rozamiento, lanzamos un objeto

de 8 kg de masa con una rapidez de 6 m/s, de modo que tras recorrer una cierta distancia por el plano, se detiene y desciende. Se pide: a) realiza un análisis energético de la situación completa; b) determina la distancia que recorre el objeto sobre el plano hasta que se detiene en su punto más alto; c) trabajo TOTAL efectuado sobre el cuerpo en todo el proceso de subida y bajada.

14. ¿Qué significa el dato de que el calor latente de fusión de una sustancia sea de 620 cal/g? Transforma el

dato al Sistema Internacional.

15. Un cuerpo de 4 kg de masa circula a 12 m/s sobre una superficie lisa y sin rozamiento, de modo que choca con un resorte (K = 400 N/cm) y lo comprime. Determina cuánto se comprimirá el muelle.

16. Una motocicleta de 750 kg sube una cuesta con una inclinación de 6° a 90 km/h. ¿Cuál es la potencia de la

moto en kW y en CV? Comienza calculando cuántos metros de altura sube en un segundo (usa la trigonometría).

17. Con un horno microondas de 700 watios, ¿qué tiempo emplearemos en calentar un biberón (180 g de

agua) desde los 18°C hasta los 35°C? (Calor específico del agua = 1 cal/g ∙ °C)

18. Describe la cadena de transformaciones energéticas desde que el Sol emite energía radiante hasta que la gasolina pone en marcha un vehículo. Recuerda que la gasolina procede de la descomposición de organismos marinos fotosintéticos.

19. Un coche de masa 900 kg puede alcanzar los 100 km/h partiendo del reposo en 9 s. A) Determina el trabajo realizado por el motor en ese tiempo y el consumo de gasolina (poder calorífico 10000 kcal/kg). B) Calcula la aceleración y la fuerza del motor. C) Determina el desplamiento del vehículo en ese tiempo.

20. Desde una altura de 3 m soltamos un objeto de 5 kg, de modo que cae sobre un muelle que está colocado en posición vertical (K = 400 N/cm). Determinar cuánto se comprimirá el muelle.

21. Analiza las transformaciones de energía que van sucediendo al

dejar botar una hasta que se para. Al final, ¿qué ha sucedido con esa energía?

22. Se lanza un cuerpo hacía arriba con rapidez de 20 m/s. Determina la altura máxima alcanzada haciendo uso del principio de conservación de la energía. ¿Con qué velocidad teórica volvería a llegar al suelo? En realidad, debido al rozamiento, ¿alcanzará más o menos altura? y ¿llegará a más o a menos velocidad? ¿A dónde va a parar la energía que falta?

23. Si soplas a un termómetro ¿se elevará o descenderá la temperatura

que marca? Si hay dudas, se puede realizar la prueba. a. ¿Y si le abanicamos con un trozo de cartón? b. Si colocas el bulbo del termómetro envuelto en un algodón

con alcohol y soplas, ¿se producirá una subida o bajada de la temperatura? c. Entonces, ¿por qué nos refresca un ventilador?


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