TEMA 9: ENERGÍA.

Trabajo y potencia. Tipos de energía. Energías cinética y potencial. Energía mecánica. Principio de conservación. Calor y temperatura. Efectos del calor sobre los cuerpos.

9.1. Trabajo, energía y potencia.

Se define trabajo como el producto de la fuerza aplicada por la distancia. Se mide en Julios (J):

W=F·d

Energía es la capacidad de generar movimiento o lograr la transformación de algo, en definitiva, es la capacidad de producir un trabajo. Como este, se mide también en Julios.

La potencia es el trabajo desarrollado por unidad de tiempo o también la energía empleada en algo por unidad de tiempo:

P=Wt

= Et

En el SI se mide en watios (W).

9.2. Tipos de energía. Transformaciones de la energía y su conservación.

Algunos de los principales tipos de energía son: Energía electromagnética- es una mezcla de la energía eléctrica y

magnética, y la poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta , los rayos infrarrojos…

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o Energía eléctrica- La Energía eléctrica es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético.

o Energía magnética- es la cantidad de energía almacenada en una región del espacio que podemos atribuir a la presencia de un campo electromagnético.

Energía mecánica- La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un sistema mecánico:

EM=Ec+Ep

o Energía cinética- Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto, producir un trabajo.

Ec=½·m·v2

o Energía potencial- La energía potencial es el tipo de energía mecánica asociada a la posición o configuración de un objeto.

Ep=m·g·h

Energía térmica- se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura.

Según su origen, además, podemos hablar de: Energía eólica- Es la que tiene el viento, y que se suele convertir en

eléctrica mediante los generadores eólicos. Energía solar- La Energía solar es la que llega a la Tierra en forma de

radiación electromagnética (luz, calor y rayos ultravioleta principalmente) procedente del Sol.

Energía nuclear- La energía nuclear es la energía que se obtiene al manipular la estructura interna de los átomos.

Energía química- La Energía química es la que se produce en las reacciones químicas. Una pila o una batería poseen este tipo de energía. Ej.: La que posee el carbón y que se manifiesta al quemarlo.

Energía hidráulica-  La Energía hidráulica es la producida por el agua retenida en embalses o pantanos a gran altura (que posee energía potencial gravitatoria).

Energía sonora- Es la energía que transmiten o transportan las ondas sonoras.

Energía fotovoltaica- La energía fotovoltaica es la transformación directa de la radiación solar en electricidad.

Energía geotérmica- Es una fuente de energía renovable que aprovecha el calor que existe en el subsuelo de nuestro planeta

Energía mareomotriz- se produce gracias al movimiento generado por las mareas, esta energía es aprovechada por turbina.

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El principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. Generalmente, la energía siempre pasa de formas más útiles a formas menos útiles. Por ejemplo, en un volcán la energía interna de las rocas fundidas puede transformarse en energía térmica produciendo gran cantidad de calor.

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Un caso particular es el de los objetos en movimiento, que poseen energía mecánica. Según el principio de conservación de la energía mecánica, en ausencia de fuerzas disipativas (que hacen perder energía, como el rozamiento), la energía mecánica, suma de la energía potencial y la cinética, se mantiene constante.

9.3. Calor y temperatura. Efectos del calor sobre los cuerpos.

El calor es la forma de transferencia de energía entre cuerpos que están a diferente temperatura. Asimismo, la temperatura es una medida de la energía interna que tienen los objetos, de manera que cuando se ponen en contacto objetos a distinta temperatura, es decir, con diferente cantidad de energía interna acumulada, el que tiene más le transfiere por medio del calor una parte al segundo, hasta que ambos niveles energéticos, es decir, ambas temperaturas se igualan. El calor suele ser un efecto indeseable, puesto que, en general, no se puede aprovechar con eficiencia, constituyendo una forma de energía muy degenerada.

El calor se transmite entre los cuerpos de tres maneras diferentes: Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto Por convección en fluidos (líquidos o gases) Por radiación a través del medio en que la radiación pueda propagarse

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El efecto principal que sufre un cuerpo que recibe calor de otro es una elevación de la temperatura, que depende de características propias y de la masa del objeto:

Q=m·Ce·t

donde m es la masa, Ce es el calor específico y t, la variación de temperatura que sufre el cuerpo.

Un segundo efecto puede ser el de inducir un cambio de estado, si la temperatura es la adecuada. En un cambio de estado, la temperatura permanece constante:

Q=m·L

donde m es la masa y L es el calor latente de cambio de estado.

Finalmente, los objetos cambian de volumen al cambiar de temperatura, generalmente, dilatándose cuando ésta aumenta.

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Cuestiones y problemas

1. Calcula el trabajo realizado por una fuerza de 20 N aplicada a un objeto durante un trayecto de 5 m.

2. ¿Durante qué distancia estuvo siendo aplicada una fuerza de 100 N sobre un objeto si el trabajo realizado fue de 2000 J?

3. ¿Qué potencia se aplicó en el ejercicio anterior si el trabajo se hizo en 40 s?

4. Se hizo un trabajo de 10 000 J sobre un objeto a lo largo de 60 m de recorrido. ¿Qué fuerza se le aplicó?

5. ¿Qué potencia se empleó en el caso anterior si el recorrido se hizo en 5 min?

6. ¿Qué trabajo se está aplicando si la potencia es de 1500 W durante 30 s?

7. Calcula la energía potencial de un bolígrafo de 20 g situado sobre una estantería de 1.80 m de altura.

8. Si el bolígrafo anterior cae al suelo, ¿cuál será su velocidad?

9. ¿Qué energías potencial y cinética tiene el bolígrafo de antes a medio camino del suelo?

10.Un globo de 2 g tiene una energía de 40 J, ¿a qué altura está?

11.¿A qué altura subirá una moneda lanzada hacia arriba a 10 m/s de velocidad?

12.En una montaña rusa, ¿podría una vagoneta llegar más alto que la altura desde la que se deja caer?, ¿por qué?

13.Calcula el trabajo que realiza un caballo al arrastrar un carro durante 2 km. si un dinamómetro puesto entre el carro y el caballo marca unos 1750 N.

14.En un circo, un elefante empuja una caja a lo largo de 15 m. Mediante un dinamómetro sabemos que ha ejercido una fuerza de 250 N. ¿Qué trabajo ha realizado?

15.¿Qué trabajo realizas al elevar un objeto que pesa de 90 N por una escalera hasta una altura de 10 m? ¿Y al transportar el mismo peso por una superficie horizontal una distancia de 5 m?

16.¿Qué potencia desarrolla una máquina que realiza un trabajo de 500 J en 10 s? ¿Y otra que realiza un trabajo de 300 J en 5 s? ¿Qué conclusiones obtienes?

17.a) ¿Qué trabajo realiza una bomba para elevar 50 litros de agua a 33 metros de altura? Recuerda: dH2O= 1 g/cm3. b) Si este trabajo lo realiza en 6 segundos, ¿qué potencia desarrolla la bomba?

18.¿Qué trabajo se realiza al elevar un cuerpo de 3 kg de masa a una altura de 20 m? ¿Cuántos minutos se tarda en hacerlo para desarrollar una potencia de 10 vatios?

19.¿Qué energía cinética posee un coche de 600 kg de masa circulando a una velocidad de 90 km/h?

20.¿Qué energía potencial han almacenado 75 litros de agua a 30 m de altura? ¿Qué trabajo ha realizado la bomba encargada de elevar el agua? Si este trabajo lo realiza en 10 segundos, ¿qué potencia desarrolla la bomba?

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21.Calcula la energía mecánica de una paloma de 1,5 kg que vuela a 10 m del suelo con una velocidad de 3 m/s.

22.¿Qué altura máxima alcanzará una piedra lanzada hacia arriba con una velocidad de 10 m/s?

23.¿Con qué velocidad llegará al suelo un objeto que se deja caer desde una altura de 29 m?

24.Calcula la masa de un cuerpo cuya velocidad es de 10 m/s y su energía cinética es de 1.000 J.

25.Determinar el valor de la velocidad que lleva un cuerpo cuya masa es de 3 kg y su energía cinética es de 600 J.

26.Determina la energía cinética de una pelota de 100 g de masa si lleva una velocidad de 30 m/s.

27.Un cuerpo cuyo peso es de 19,6 N lleva una velocidad de 10 m/s. ¿Cuál es el valor de la energía cinética?

28.Calcula la masa de un cuerpo cuya energía cinética es de 450 J y lleva una velocidad de 30 m/s.

29.Calcula la velocidad de un cuerpo cuya masa es de 2 kg y tiene una energía cinética de 100 J.

30.Calcula la energía cinética de una persona de 70 kg de masa cuando se mueve a 5 m/s.

31.Un coche circula a una velocidad de 72 km/h y tiene una masa de 500 kg. ¿Cuánta energía cinética posee?

32.Calcula la energía potencial de un saltador de trampolín si su masa es de 50 kg y está sobre un trampolín de 12 m de altura sobre la superficie del agua.

33.Calcula la energía cinética de un cuerpo de 194 kg de masa que se mueve a una velocidad de 29 m/s.

34.¿Qué energía potencial posee una roca de 145 kg que se encuentra en un acantilado de 19 m de altura sobre el suelo?

35.Un saltador de pértiga de 65 kg alcanza una velocidad de 8 m/s. Si la pértiga permite transformar toda la energía cinética en potencial. ¿Hasta qué altura podrá elevarse? ¿Cuál es la energía en el momento de caer a la colchoneta? ¿Cuál es su velocidad al caer a la colchoneta?

36.Se deja caer una pelota de 247 g desde una ventana situada a una altura de 15 m. Calcula la energía mecánica en el punto inicial.

37.Un cuerpo de 10 kg cae desde una altura de 20 m. Calcula: a) La energía potencial cuando está a una altura de 10 m. b) La velocidad que tiene en ese mismo instante. c) La velocidad cuando llega al suelo.

38.¿Qué energía cinética tiene un coche de 450 kg de masa que circula a 108 km/h?

39.¿Cuál es la energía potencial de un hombre de 76 kg, que se encuentra a 65 m de altura?

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40.Halla la masa de un coche que circula a una velocidad constante de 108 km/h, sabiendo que su energía a dicha velocidad es de 675.000 J. En un momento su energía disminuye a 468.750 J. ¿Qué velocidad lleva en dicho momento?

41.Una mujer de 58 kg corre a una velocidad de 7 m/s. ¿A qué altura sobre el suelo su energía potencial es igual a su energía cinética?

42.Un paquete de 2 kg es subido desde el suelo hasta una estantería de 2 m de altura. Halla el aumento de su energía potencial.

43.Un cuerpo de 1,5 kg de masa cae desde una altura de 60 m. Determinar la energía potencial y cinética a los 50 m de altura, y la velocidad a esta altura.

44.Si la energía potencial de una pelota de golf al ser golpeada es de 54,68 J. ¿Cuál será su masa si alcanza una altura de 28 m?

45.Una piedra de 2 kg de masa es lanzada hacia arriba y alcanza una altura máxima de 5 m. ¿Cuál es en ese momento su energía cinética?¿y su energía potencial?

46.Calcula la energía mecánica de un saltador de longitud de 75 kg de masa, cuando está en el aire a 2,5 m sobre el suelo y con una velocidad de 9 m/s.

47.Un avión vuela con una velocidad de 720 km/h a una altura de 3 km sobre el suelo. Si la masa del avión es de 2.500 kg. ¿Cuánto vale su energía mecánica total?

48.Una maceta de 4 kg se cae de una ventana de una casa. Si la ventana se encuentra a 2,5 m sobre el suelo. Calcula: a) Energía potencial, cinética y mecánica de la maceta antes de caer. b) ¿Cuál sería la energía cinética cuando la maceta haya recorrido 1 m en su caída? c) ¿Qué velocidad llevará la maceta cuando haya recorrido 1 m en su caída?

49.Una persona deja caer libremente un objeto de 20 kg desde una altura de 60 m. a) ¿Cuál es el valor de la energía mecánica, potencial y cinética del objeto a la altura de 60 m?, b) ¿Cuál es el valor de la energía mecánica, potencial y cinética del objeto a la altura de 20 m?, c) ¿Cuál es el valor de la energía mecánica, potencial y cinética del objeto cuando choca contra el suelo? d) Velocidad con la que el objeto llega al suelo.

50.Una viga de 980 N se eleva con una grúa a una altura de 20 m. Una vez allí, se rompe el cable de sujeción. Calcular: a) Energía mecánica, potencial y cinética a la altura de 20 m, b) Energía mecánica, potencial y cinética a la altura de 10 m sobre el suelo, c) Energía mecánica, potencial y cinética cuando llega al suelo, d) Velocidad de la viga cuando se encuentra a 10 m sobre el suelo, e) Velocidad de la viga cuando llega al suelo.

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