1. Transferencia de energía entre sistemas físicos
La energía se transfiere de unos sistemas físicos a otros.
Esta transferencia produce cambios en los sistemas físicos implicados.
Trabajo
y calor
El trabajo y el calor no son formas de energía, sino métodos o procedimientos para
transferir energía entre sistemas; por tanto, no se puede hablar de trabajo o
del calor que hay en un cuerpo.
Un
sistema puede transferir energía a otro mediante trabajo, ejerciendo una fuerza sobre él a lo largo de un recorrido.
Un
sistema puede transferir energía a otro mediante calor
por el simple hecho de tener temperaturas
diferentes.
Un
mecanismo muy importante de transferencia de energía mediante calor es la
radiación o energía radiante, que se realiza mediante ondas electromagnéticas.
2. La energía mecánica
La energía mecánica es es la energía que
poseen los cuerpos en virtud de su posición (energía potencial) o su velocidad
(energía cinética). Esta energía se refiere al cuerpo considerado en su
conjunto y no a sus partículas consideradas de forma individual.
EM =
EC +
EP
– Energía potencial. Es la forma de energía
mecánica asociada a la posición o a los cambios de la misma. La expresión de la
energía potencial gravitatoria de un cuerpo de masa, m, que se encuentra a una altura, h, sobre el
suelo es la siguiente:
EP =
m g h
– Energía cinética. Es la forma de energía
mecánica asociada a la velocidad de un cuerpo. Depende de la masa, m, del cuerpo y de su velocidad, v. La
expresión de la energía cinética es la siguiente:
3. El trabajo mecánico
El trabajo, W, realizado por la fuerza, F, que actúa sobre un cuerpo es igual al producto del módulo de la
fuerza por el desplazamiento de su punto de aplicación, Δx, y por el coseno del ángulo α que forman las direcciones de la fuerza y del desplazamiento:
W = F Δx cos α
El
trabajo es una magnitud escalar y su valor puede ser positivo (aumenta la energía mecánica),
negativo (disminuye dicha energía) y nulo (no varía).
La
unidad de trabajo en el SI es el julio ( J).
4. Trabajo y energía mecánica
Trabajo
y energía cinética. El trabajo realizado por la fuerza resultante
que actúa sobre un cuerpo se emplea en variar su energía cinética.
Trabajo
y energía potencial. El trabajo que se realiza al elevar un cuerpo a
velocidad constante se emplea en variar su energía potencial gravitatoria.
W =
ΔEP =
mgh −
mgh0
Trabajo
y energía mecánica. El trabajo realizado por una fuerza cualquiera,
F, aplicada a un cuerpo es una medida de la variación de su energía
mecánica.
WF =
ΔEM =
ΔEC +
ΔEP
5. Principio de conservación de la energía mecánica
La energía mecánica de un cuerpo en
movimiento se conserva siempre que no existan fuerzas de rozamiento.
La
energía mecánica, EM, de un cuerpo es la suma de su energía cinética, EC,
y
su energía potencial, EP:
EM
= EC + EP
Si
un objeto de masa m cae libremente, con una velocidad v1
cuando se encuentra a una altura h1 y con una velocidad v2 cuando se encuentra a una altura h2, la energía cinética va aumentando y la energía potencial va
disminuyendo, pero la energía mecánica del cuerpo se conserva:
EM =
constante EC1 + EP1 = EC2 + EP2
Energía
mecánica y rozamiento
En
presencia de fuerzas de rozamiento, parte de la energía mecánica de un cuerpo
en movimiento se disipa caloríficamente.
Energía mecánica inicial =
Energía mecánica final +
Energía disipada caloríficamente
6. Rendimiento de las máquinas
Las
máquinas pueden transformar toda la energía que se les suministra en un
trabajo útil que, a su vez, varíe la energía mecánica de la máquina o su
entorno. Debido a los rozamientos, parte de la energía suministrada a la
máquina se transforma en energía térmica de la propia máquina y del entorno.
Trabajo útil <
Energía suministrada
El rendimiento de una máquina, r, es el cociente entre el trabajo útil que proporciona y la energía
que se le ha suministrado.
7. Potencia mecánica
La potencia mecánica, Ρ, es una medida de la rapidez de transferencia energética y se
define como el trabajo realizado por unidad de tiempo.
Ρ = W t
La
unidad de potencia en el SI es el vatio
(W).
Para
expresar la potencia se utilizan con frecuencia el kilovatio (kW), el megavatio
(MW) y el caballo de vapor (CV).
1 kW = 1000 W 1 MW
= 106 W 1 CV = 735 W
El
kilovatio-hora (kW h) es una unidad de energía y de trabajo.
1
kW h = 1 (kW) · 1 (h) = 1000 (
J/s) · 3600 (s) =
3,6 · 106 J
La potencia mecánica instantánea es el producto de la fuerza por la velocidad instantánea.
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