I.E.S. Al-ndalus. Dpto. Fsica y Qumica. Tema 6. La energa y su transferencia - 1 - Unidad 6: LA ENERGA Y SU TRANSFERENCIA. TRABAJO Y CALOR.

EXPLORA TUS IDEAS. 1. Los explosivos empleados para ir abriendo un tnel tienen:

a) Mucha energa. b) Mucha fuerza. c) Mucho calor.

2. Cul de los siguientes comentarios te parece apropiado?

a) Los alumnos y alumnas tienen energa por ser seres vivos, pero los libros y las mesas no. b) Todos los objetos tienen energa aunque no siempre la ponen de manifiesto. c) Los objetos tienen energa slo si se est produciendo un cambio en ellos: se mueven, se queman...

3. Cuando una linterna se enciende, las pilas se van gastando en iluminar la bombilla. Dnde va la energa de la bombilla?

a) Se pierde, pues se gasta al iluminar. b) Termina por calentar el aire del ambiente. c) Vuelve a la pila cargndola parcialmente.

4. Para desenroscar las tuercas de la rueda de un coche utilizamos una palanca. Cmo acta?

a) Permite gastar menos energa. b) Permite hacer menos fuerza. c) Se hace la misma fuerza pero ms cmodamente.

5. Las centrales hidroelctricas obtienen la energa elctrica a partir del agua embalsada. Cmo lo hacen?

a) Extrayndola directamente del agua, ya que sta contiene electricidad. b) Utilizando el gua para refrigerar el dispositivo que produce la electricidad. c) Utilizando el gua para mover un dispositivo que produce electricidad.

6. Al quemar el butano de la bombona, podemos decir que:

a) Hemos gastado energa. b) Hemos gastado combustible, por lo que queda menos energa utilizable. c) Hemos consumido el calor contenido en las molculas de butano.

7. Un tarro pequeo se llena con hielo, se tapa perfectamente y el exterior se seca con una toalla. Unos minutos despus,

la parte exterior del tarro est mojada. De dnde viene el agua que hay en el exterior del tarro? a) El hielo se derrite y el agua pasa a travs de los poros del vidrio. b) El fro hace que el oxgeno y el hidrgeno del aire formen agua. c) El agua del aire se pega al vidrio fro. d) El fro atraviesa el cristal y se convierte en agua.

8. De las siguientes expresiones, seala la correcta:

a) El Sol tiene mucho calor y por eso lo manda a la Tierra. b) EL Sol transfiere energa a la Tierra en forma de calor, porque tiene una temperatura muy superior. c) El Sol transfiere temperatura a la Tierra.

9. Para descongelar el parabrisas de un coche se puede echar un vaso de agua caliente. Indica que afirmacin te parece

correcta: a) Cuanta ms agua echamos, ms temperatura aportamos y se descongela el hielo. b) Cuanta ms agua echamos, ms energa aportamos y se descongela el hielo.

10. Al echar un vaso de agua a 90 C a una baera con 100 kg de agua a 30 C, ocurrir que:

a) Pasar energa del que ms tiene, la baera, al que menos tiene el vaso de agua. b) No habr intercambio de energas entre ellos. c) Pasar energa del vaso a la baera por tener mayor temperatura.

11. Si se afirma que la tnica con hielo est ms fra que la limonada, lo que se quiere decir es que:

a) La tnica tiene menos temperatura que la limonada. b) La tnica tiene menos calor que la limonada.

I.E.S. Al-ndalus. Dpto. Fsica y Qumica. Tema 6. La energa y su transferencia - 2 -

1. QU ES LA ENERGA? En nuestro mundo cada vez utilizamos con ms frecuencia la palabra energa. Y alguna vez nos podemos preguntar Qu es la energa?

Por energa ( E )entendemos la capacidad que posee un cuerpo para poder producir cambios en s mismo o en otros cuerpos. Es una propiedad que asociamos a los cuerpos para poder explicar estos cambios. Estamos acostumbrados a clasificar la energa por un criterio tcnico: segn la fuente de produccin. As hablamos de energa elica, calorfica, nuclear, hidroelctrica, solar, qumica... Sin embargo, en Fsica es ms til establecer una clasificacin en base a las causas por las que el cuerpo puede producir cambios. Tendremos entonces.

Energa cintica (Ec): Energa debida al movimiento del cuerpo. Energa potencial (Ep): Debida a la accin de ciertas fuerzas que acten sobre el cuerpo. Existen tres tipos.

Energa potencial gravitatoria (Epg), debida a la accin de la fuerza gravitatoria sobre el cuerpo. Energa potencial elctrica (Epe): debida a la accin de fuerzas elctricas Energa potencial elstica (Epel): es la que almacenan los cuerpos elsticos al ser comprimidos o

estirados Energa mecnica (EM): Suma de las energas cintica y potencial del cuerpo. Energa interna (U): Debida a la temperatura del cuerpo y a su estructura atmico-molecular. Energa luminosa (o radiante): Energa transmitida por las ondas electromagnticas (luz, UVA, R-X, radio) La energa tiene una serie de caractersticas:

- Se presenta en distintas formas. - Puede pasar de unos sistemas a otros (transferencia). - Se puede transportar con o sin transporte de materia. - Se conserva en cualquier proceso. - En unas formas es ms aprovechable que en otras.

Unidades de energa: Cualquier forma de energa se mide en las mismas unidades: en el S.I es el Julio (J).

Otras unidades: calora (cal): 1 cal = 4,18 J 1 Kcal = 1000 cal = 4180 J ergio (erg): 1 erg = 10-7 J kilovatio-hora (kWh): 1 kWh = 3,6 106 J Transferencias de energa: calor y trabajo: Al estudiar un sistema desde el punto de vista de la energa, podemos ver que en cualquier cambio que ocurra en el mismo tenemos una transferencia de energa entre unos cuerpos y otros (a veces en el mismo cuerpo). As, al poner en contacto un cuerpo fro con otro caliente, el cuerpo fro aumenta su energa interna, a costa de disminuir la energa interna del cuerpo caliente, hasta llegar al equilibrio. En un cuerpo que cae en cada libre, aumenta su energa cintica a costa de la disminucin de su energa potencial gravitatoria. Estas transferencias de energa se pueden realizar de dos formas:

- Por medio de un desplazamiento, bajo la accin de una fuerza: en ese caso se produce trabajo. - Debido a una diferencia de temperatura: se habla entonces de que se transfiere calor.

El trabajo y el calor son dos formas de transferencia de energa de unos cuerpos a otros. Ni el calor ni el trabajo son formas de energa. No podemos decir que un cuerpo tiene trabajo ni calor, y s podemos decir que tiene energa.

Cambios de energa en un cuerpo. Incremento de energa Estamos viendo que un cuerpo puede perder energa de algn tipo al transferirla a otros cuerpos, que a su vez ganarn energa (de uno u otro tipo). Siempre que se pierda energa de agn tipo, se ganar por otra parte (ya sea el mismo u otro cuerpo). Se entiende por incremento de energa a la diferencia de energa entre la situacin final y la inicial del cuerpo inicialfinal EEE = De este modo, si inicialfinal EE0E >> la energa aumenta. Si inicialfinal EE0E

I.E.S. Al-ndalus. Dpto. Fsica y Qumica. Tema 6. La energa y su transferencia - 3 -

Potencia: Si adems del cambio de energa que se ha producido, tenemos en cuenta lo rpido que ha cambiado (el tiempo empleado), llegamos a una magnitud llamada potencia (P), que nos indica el incremento de energa por unidad de tiempo (por cada segundo). As

tEP = Unidades: En el S.I. :

sJ

= vatio (W)

Otras: caballo de vapor (C.V.): 1 C.V.= 735 W. Ejercicios 1.1 Poseen energa los sistemas siguientes? De qu tipo? - El aire en movimiento. - Una pila elctrica. - El cuaderno de fsica y qumica. - Un muelle comprimido. - El agua embalsada en una presa. 1.2 Razonar los cambios de energa que ocurren en las siguientes situaciones.

a) Una piedra cae en cada libre. b) Un trozo de hielo se derrite c) Una gra elctrica eleva una viga hasta un tercer piso. d) Una bola que va rodando termina parndose. e) Un coche arranca y acelera.

1.3 a) Tenemos una bombilla de 60 W. qu significa ese nmero? Si se mantiene encendida 3 horas cunta

energa habr consumido? b) Vemos en la publicidad de un automvil que tiene 100 caballos. Explicar el significado de dicho nmero.

2. ENERGA CINTICA, ENERGA POTENCIAL, ENERGA MECNICA. - Quin tiene mayor energa, un camin o un coche que van a la misma velocidad? Y si se trata del mismo coche, pero

primero circula a 60 km/ y luego a 90 km/h? - Un salto de agua posee una energa que se utiliza para producir electricidad, pero d que factores va a depender la

mayor o menor energa que tiene el salto? Energa cintica (Ec): Los cuerpos, por el hecho de estar en movimiento, poseen lo que denominamos energa cintica. La energa cintica de un cuerpo depende de su masa, m, y de la velocidad, v, que lleve. La ecuacin que relaciona estas variables es:

221 vmEc =

Energa potencial gravitatoria (Epg): Los cuerpos almacenan energa (pueden producir cambios) debido a su propio peso, a que sobre ellos acta la fuerza gravitatoria. Si soltamos una piedra en cada libre, producir cambios, en primer lugar en s misma (aumentar su velocidad), y podr producir cambios en otro cuerpo, si choca con l. Es evidente que, cuanto mayor sea la altura desde la que soltemos la piedra, ms intensos son los cambios que podr producir. A la energa que almacena un cuerpo por estar sometido a la atraccin gravitatoria, se le denomina energa potencial gravitatoria (Epg). Depende del peso del cuerpo (mg), y de la posicin (altura) del cuerpo. hgmEpg = Energa mecnica (EM): Suma de las energas cintica y potencial (ya sea gravitatoria, elstica, elctrica) que posee un

cuerpo. EpEcEM += . En este curso, la nica energa potencial con la que trabajaremos ser la gravitatoria, por lo que

hgmvmEpgEcE 221

M +=+=

I.E.S. Al-ndalus. Dpto. Fsica y Qumica. Tema 6. La energa y su transferencia - 4 -

Ejercicios: 2.1. Un automvil de 100 kg, arranca desde el reposo, con una aceleracin de 3 m s-2. Qu energa cintica posee el

automvil al cabo de 5 s? qu transformaciones energticas han ocurrido? 2.2. a) Una moto de 100 kg, que circula a 72 km/h gana 25000 J de energa al acelerar. Qu velocidad adquiere?

b) Si posteriormente va frenando hasta detenerse, explicar las transformaciones energticas que tienen lugar. 2.3. Una gra levanta una viga de 500 kg de masa desde el suelo hasta un primer piso, a una altura de 4 m, colocndola

sobre los pilares. a) Calcular la energa que posee la viga cuando se encuentra sobre los pilares. Ha ganado o ha perdido

energa al elevarla?. (Probar desde distintos puntos de referencia) b) Qu energa ha consumido la gra para elevar la viga? qu transformaciones de energa han ocurrido? c) Es necesario ejercer fuerza para mantener la viga sobre los pilares? es necesario seguir aportando energa?

Razonar. 2.4. Una piedra de 1 kg cae en cada libre desde una altura de 10 m. Despreciando el rozamiento con el aire.

a) Calcular las energa potencial y cintica en el instante inicial. b) Calcular la velocidad con la que llega al suelo y las energas potencial y cintica en ese momento. c) Explica las transformaciones de energa que han tenido lugar Qu ha sucedido con la energa mecnica de la

piedra? d) Qu ocurrira si hubiera rozamiento con el aire? se mantendra constante la energa mecnica?

3. CONSERVACIN Y DEGRADACIN DE LA ENERGA: Hemos estudiado que en cualquier transformacin, un cuerpo pierde energa de algn tipo, y otro (o el mismo cuerpo) gana energa. En total, si tenemos en cuenta todas las transformaciones energticas, la energa total permanece constante (se conserva). Por ejemplo, un vaso de agua caliente que se dejha al aire, con el tiempo, acabar enfrindose, y quedndose con la misma temperatura que el ambiente. El agua ha perdido energa interna, y el aire del exterior ha ganado la misma cantidad de energa. Otro ejemplo, un automvil frena hasta detenerse. Pierde la energa cintica que tena cuando estaba en movimiento. Qu cuerpos han ganado energa? Pues los discos de freno, el suelo y el aire han ganado energa interna debido al rozamiento. Se dice que han disipado energa. Otro. Una linterna encendida. Inicialmente la pila almacena energa elctrica, que se transforma en energa cintica de los electrones que se desplazan por el circuito, y que en la bombilla se transforma en energa luminosa, y, la mayor parte, en energa interna del filamento y del ambiente. En total, la energa no ha desaparecido. Podramos poner muchos ms ejemplos con diferentes fuentes de energa. Siempre tendremos que la energa total se conserva (no aparece ni desaparece). Ahora bien, todos los procesos anteriores tienen algo en comn. Finalmente, la energa acaba pasando al medio ambiente, calentndolo (aumenta su energa interna). En esa forma, ya no es aprovechable (la energa elctrica almacenada puede aprovecharse en mltiples usos, la energa interna de un combustible tambin, incluso la energa potencial gravitatoria o la energa cintica). Se dice que la energa ha perdido calidad, se ha degradado. La cantidad es la misma, pero no nos es til. Esta degradacin de la energa es un hecho inevitable, y constituye uno de los prioncipios fundamentales de la Fsica. 4. TRABAJO (W) Hemos visto que el trabajo no es un tipo de energa, sino un proceso de transferencia de energa de un cuerpo a otro. De hecho, podemos definir el trabajo como la transferencioa de energa de un cuerpo a otro realizada por la accin de una fiuerza mediante un desplazamiento. Matemticamente, incluyendo los diferentes factores de los que depende: cosrFW = donde F es la fuerza que acta, r es el desplazamiento realizado, y es el ngulo que forma la fuerza con el desplazamiento.

I.E.S. Al-ndalus. Dpto. Fsica y Qumica. Tema 6. La energa y su transferencia - 5 -

Signo del trabajo: Si W > 0 la fuerza suministra (da) energa cintica al cuerpo sobre el que se aplica. Si W < 0 la fuerza disipa (resta) energa cintica al cuerpo sobre el que se aplica. Si W = 0 la fuerza no aporta ni resta energa al cuerpo Trabajo total realizado sobre un cuerpo: Es la suma de los trabajo realizdos por todas las fuerzas que acten sobre

el cuerpo ( WWTOT = ). O lo que es lo mismo, ser igual al trabajo de la fuerza resultante que acte sobre el cuerpo.

Relacin potencia-trabajo: Dado que el trabajo es una transferencia de energa, una mquina (un motor, etc) que

realice trabajo, aportar al sistema una cantidad de energa igual al trabajo realizado. As, podemos expresar

la potencia tWP

tW

tEP ===

Ejercicios. 4.1. Con lo discutido en la actividad anterior, hemos introducido el concepto de trabajo (desde un punto de vista fsico).

Razona si realizas trabajo en cada uno de estos casos: - Arrastras un pupitre por el suelo. - Sostienes un libro muy pesado en tus manos. - Haces una gran fuerza sobre la pared de tu clase. - Subes por la escalera desde el patio hasta la clase. - Estudias este tema. - Al traer la mochila de casa al instituto. - Sentado en un coche que se mueve, sostienes la mochila sobre tus rodillas. 4.2. Con una fuerza cte de 30 N desplazamos un pupitre 5 m. Determnese el trabajo realizado en cada uno de los

siguientes casos: a) La fuerza es de la misma direccin y sentido del desplazamiento. b) La fuerza forma un ngulo de 90 con el desplazamiento. 4.3. Si al viajar en bicicleta por una carretera horizontal se deja de pedalear, acabamos por pararnos Por qu? Qu

ngulo formaran la fuerza del aire y de la carretera con el desplazamiento? Cmo ser el trabajo que realiza? 4.4. Dos mquinas realizan el mismo trabajo. Podemos afirmar que tienen la misma potencia? 5. CALOR (Q). Del calor sabemos hasta ahora que es una transferencia de energa, pero no es un tipo de energa. Los cuerpos no tienen calor (ni fro). Cuando ponemos en contacto dos cuerpos que estn a diferente temperatura, sabemos que el cuerpo a ms temperatura se enfra y el cuerpo a menos temperatura se calienta, hasta que las temperaturas se igualan. Se llega entonces a lo que se conoce como equilibrio trmico. Qu ha ocurrido con la energa? Se ha producido una transferencia desde el cuerpo a mayor temperatura (pierde energa) hasta el cuerpo a menor temperatura (gana energa). Se dice que se ha transferido calor desde el primer cuerpo hasta el segundo. La cantidad de energa intercambiada es el calor transferido. Debe quedarnos claro que slo podremos hablar de calor mientras se est produciendo el intercambio de energa. Los cuerpos no tenan calor antes ni tendrn calor despus. Signo de Q: - Si un cuerpo gana energa por intercambio de calor, se dice que el calor es absorbido. Su signo es positivo (Q > 0). - Si un cuerpo pierde energa por intercambio de calor, se dice que el calor es desprendido. Su signo es negativo (Q < 0). Unidades de calor: Al ser una transferencia de energa, sus unidades son las mismas que las de cualquier energa (J,

cal...)

I.E.S. Al-ndalus. Dpto. Fsica y Qumica. Tema 6. La energa y su transferencia - 6 -

Relacin calor- incremento de temperatura: Al aportar calor a un cuerpo o extraer calor de este, su temperatura cambia. El hecho de que cambie ms o menos depende de varios factores: Calor aportado o extrado: Q Cantidad de sustancia (masa del cuerpo): m Tipo de sustancia: esta influencia viene reflejada mediante una constante, llamada calor especfico de la

sustancia (ce). Se define como la cantidad de energa que hay que aportar a 1 g de sustancia para que

su temperatura aumente en 1 C. Se medir en Cg

cal , o ( Kkg

J en el s.I.).

La expresin resultante, y que usaremos, es TcmQ e = )( ife TTcmQ = Ejercicios: 5.1. Disponemos de 1000 g de cobre a 25 C. Cunto calor

habr que comunicar para pasarlos a 200C? Cunto calor se desprender si, desde esa temperatura se enfran hasta 75C?

5.2. Mezclamos 300 gr de agua a 20C con medio litro de

agua a 60C. Cul ser la temperatura final de la mezcla?

5.3. Mezclamos medio kg de hierro a 550C con un litro de

agua a 20 C. Cul ser la temperatura final de la mezcla?

6. CAMBIOS DE ESTADO: CALOR LATENTE

Supongamos un trozo de hielo que est, por ejemplo, a 10C. Lo vamos calentando uniformemente. Lgicamente, la temperatura del hielo comenzar a subir, hasta llegar a 0C. Qu ocurre entonces? A la presin atmosfrica normal (1 atm), el hielo comenzar a fundirse al llegar a 0C. Sin embargo, mientras cambia de estado, la temperatura no sigue subiendo, permanece constante en 0C. Una vez que toda la sustancia se ha vuelto lquida, la temperatura volver a subir de 0C. Analizando este proceso de fusin, vemos que hemos estado aportando energa al hielo sin que aumente su temperatura En qu se invierte esta energa? Pues precisamente en el cambio de estado. Las molculas del hielo estn fuertemente unidas, y hay que aportar energa para romper estas uniones y dar libertad de movimiento a las molculas, con lo que obtendramos un lquido. Cuando el lquido llega a su temperatura de ebullicin, el proceso es similar. Hay que suministrar energa a las partculas del lquido para que rompan totalmente sus uniones y escapen a la atmsfera. Durante este proceso, la temperatura tambin se mantiene constante.

CALOR ESPECFICO cal/gC J/kgKAgua (lquida) 1,00 4180Agua (hielo) 0,5 2090

Acero inoxidable 0,12 510Aceite de oliva 0,47 2000

Aire 0,24 1010Aluminio 0,22 900

Alcohol etlico 0,59 2450Cobre 0,09 376Granito 0,19 800Hierro 0,12 450

Madera 0,42 1760Oro 0,03 130

Plata 0,06 240

T

t

I.E.S. Al-ndalus. Dpto. Fsica y Qumica. Tema 6. La energa y su transferencia - 7 -

Calor latente de fusin ( Lf ): La cantidad de energa (el calor) que hay que aportar a la unidad de masa de una sustancia para que cambie de

estado, habiendo alcanzado su T.F, se denomina calor latente de fusin ( Lf ). Sus unidades sern kgJ

o gcal

. Cada

sustancia tiene su propio Lf. (Naturalmente, aportando energa, calentando, conseguiremos que pase de slido a lquido. Para el proceso inverso, de lquido a slido, la cantida dde energa es la misma, pero el calor debe ser extrado, y tendr signo negativo). As, el calor intercambiado en el proceso de fusin ser fLmQ = de slido a lquido fLmQ = de lquido a slido Calor latente de ebullicin ( Lv ): El concepto es el mismo que hemos visto para la fusin, pero referido a la ebullicin. Se representa por Lv, se mide en las mismas unidades que Lf, y es propio de cada sustancia (para una misma sustancia Lf y Le no coinciden)

As, el calor intercambiado en el proceso de ebullicin ser vLmQ = de lquido a gas vLmQ = de gas a lquido

Para el agua: Lf = 3,36 105 J/kg Lv = 2,26 106 J/kg Ejercicios: 6.1 a) Calcula el calor que es necesario transferir para fundir un bloque de hielo de 500 gr y que se encuentra a 0C

b) Al enfriar el vapor de agua contenido en un recipiente se obtienen 100 g de agua lquida ha ganado o desprendido energa? qu cantidad? Razonar.

6.2. Calcula el calor que es necesario transferir para convertir en vapor de agua a 100C una masa de hielo a 200 gr que

se encuentra a una temperatura de -15C. 7. PODER CALORFICO DE UN COMBUSTIBLE El poder calorfico de un combustible es la energa (en forma de calor) que se desprende en la reaccin de combustin de 1 kg (o 1 mol) de combustible. Por ejemplo, para el butano C4H10 (g) + O2 (g) CO2 (g) + H2O (g) PC = 45790 kJ/kg En la tabla de la derecha aparece reflejado el Poder Calorfico Inferior (PCI) que es el que se desprende cuando el agua producida en la combustin est en estado gaseoso. Es lo ms habitual, ya que los productos suelen estar a ms de 100C. Si controlamos la temperatura de los gases por debajo de 100C, el agua se condensa, desprendiendo energa. De esta forma, la energa total desprendida sera mayor. Se habla entonces de Poder Calorfico Superior (PCS). Ejercicios: 7.1 a) Calcula la energa desprendida en la combustin de 1 mol de butano. b) Qu masa de vapor de agua se produce al quemar 1 kg de butano? Qu volumen ocupa, si se produce a 150C

y 1 atm de presin? (Sol: a) 2656 kJ/mol; b) 1,552 kg agua, ocupa 2990 L) 7.2 a) Calcula la masa de CO2 que se produce al quemar 1 kg de gasolina (compuesta bsicamente por octano). b) Qu cantidad de etanol es necesario quemar para obtener la misma energa que con 1 kg de gasolina? Qu

masa de CO2 se producir en este caso? (Sol: a) 3,088 kg CO2, b) 1,640 kg etanol, desprende 3,137 kg CO2)

Poder calorfico (P.C.) de algunos combustibles (kJ/kg)

Hidrgeno 120011 Gas natural 39900 Butano 45790 Propano 46350 Alcohol etilico (etanol) 26790 Gasoil 42275 Gasolina 43950 Madera seca 19000 Carbn de madera 31400 Antracita (carbn mineral) 34300