10. Energía

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CONCEPTO DE ENERGÍA

Ya vimos cuando estudiamos las fuerzas que la fuerza pone de manifiesto que hay una interacción entre dos cuerpos. Cuando interaccionan dos cuerpos a veces se producen cambios y otras veces no, como cuando los cuerpos se mantienen en equilibrio. Cuado se producen cambios en un cuerpo podemos explicarlos a partir de una magnitud que se puede ganar o perder, y que llamamos energía. 

La energía es la capacidad que tiene la materia para producir cambios.

La causa de los cambios son las interacciones entre los sistemas materiales, pero para que se produzcan estos cambios la materia debe tener energía. 

Cuando hablamos de energía, igual que cuando hablamos de fuerza, confundimos los conceptos físicos con expresiones coloquiales de nuestra vida diaria que no siempre significan lo mismo. Por eso la importancia de las definiciones en física. Verás que cuando hay cambios los cuerpos ganan o pierden energía, también pueden intercambiar energía entre ellos. Pero si no tienen energía no pueden realizar cambios.

 

TIPOS DE ENERGÍA

La energía es una magnitud única, pero podemos hablar de diferentes formas o tipos de energía en función de los cambios en los que participan. 

Cuando los cuerpos cambian su estado de movimiento hablamos de energía mecánica. Esta energía mecánica puede ser energía cinética cuando un cuerpo se mueve con cierta velocidad, o energía potencial en función de la posición que ocupe dentro de un campo gravitatorio o electrostático.

Hablamos de energía térmica a la ligada a los cambios de temperatura de los cuerpos. Energía química la energía que tienen las sustancias que les permite reaccionar para dar otras sustancias nuevas. Energía eléctrica y energía magnética relacionada con el movimiento de cargas eléctricas en la materia. Energía nuclear a la que permite que los átomos se rompan en las centrales nucleares para obtener energía. Todas estas energía se conocen también como energía interna de la materia.

La energía también se puede transmitir como ondas electromagnéticas como energía radiante, del Sol por ejemplo. Que es la energía que mantiene la vida sobre la Tierra.

Pero con todo recuerda que la energía es un concepto único aunque lo podamos encontrar en diferentes situaciones.

En nuestra vida diaria necesitamos energía. Si tenemos el móvil descargado no funciona, lo ponemos a cargar. Estamos transformando energía eléctrica en energía química de la batería. Cuando la batería está cargada aprovechamos esa energía química almacenada para producir energía eléctrica que haga funcionar los circuitos del teléfono. 

Poco después de levantarnos desayunamos para que nuestro organismo aproveche la energía de los alimentos. La forma más fácil de obtener energía de los alimentos es a través de los hidratos de carbono, por eso en el desayuno no deben faltar los cereales, tostadas o similares. Estudiarás que la energía la almacenamos de una forma muy inteligente en moléculas energéticas, de ATP, que el organismo utiliza cuando necesita energía.

Cuando vamos al instituto usamos el bus o el coche que también transforman la energía química de los combustibles en energía mecánica de movimiento. Como ves todas las acciones rutinarias de nuestra vida necesitan energía, y en ellas esta energía se va transformando de unas formas en otras.

MATERIA Y ENERGÍA

Para estudiar como se relaciona la materia con la energía debemos hacer algunas precisiones en forma de definiciones.

Para estudiar una porción de materia hablaremos de sistema. Un sistema es una parte del universo que aislamos real o imaginariamente del resto del universo. Un bote de mermelada, una tartera, una habitación, un coche, pueden ser ejemplos de sistemas.

En los sistemas distinguiremos entre:

Sistema abierto es un sistema que puede intercambiar materia y energía con el entorno. Un vaso de agua por ejemplo.

Sistema cerrado es un sistema que puede intercambiar energía pero no materia con el entorno. Un bote cerrado por ejemplo.

Sistema aislado es un sistema que no puede intercambiar ni materia ni energía con el entorno. Un termo cerrado por ejemplo.

Un sistema puede contener una cierta cantidad de energía y esta energía se puede intercambiar con el entorno solo de dos formas, en forma de trabajo o en forma de calor. El calor y el trabajo son formas de energía en movimiento, que pasan de unos cuerpos a otros. No debemos decir que un cuerpo tiene calor, sino que tiene energía, el calor es una energía que puede ceder o absorber un cuerpo. Lo mismo podemos decir del trabajo. Se dice que el calor y el trabajo son energías en transito.

En un sistema aislado la energía se conserva. Si el universo se considera un sistema aislado en él también se cumple que la energía se conserva. ¿Por qué tenemos tanto problema entonces con la energía? Ya vimos que para que las cosas funcionen la energía debe fluir de unos cuerpos a otros y transformarse de unas formas en otras de energía. Pero no todas las formas de energía son igualmente eficaces. En muchos procesos la energía se disipa en forma de calor, y esta energía térmica, debida a la agitación de los átomos y moléculas de la materia es una forma muy poco útil de energía como ya veremos.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

TRABAJO Y POTENCIA

Ya vimos que el trabajo es una forma de ceder energía a un cuerpo. Cuando se cede energía en forma de trabajo siempre interviene una fuerza. 

Imagina que tenemos un cuerpo en reposo, si queremos producir un cambio sobre él debemos hacer una fuerza sobre el mismo. Pero a veces la fuerza no es suficiente para moverlo, entonces no sufre ningún cambio. Supón que hacemos una fuerza mayor y lo movemos en este caso si sufre un cambio.

El trabajo es la energía que se cede a un sistema por la acción de una fuerza que le provoca un desplazamiento.

Supongamos que arrastramos un cuerpo haciendo una fuerza en la dirección del desplazamiento:

El trabajo mecánico es el producto de la fuerza aplicada en la dirección del movimiento por el desplazamiento producido.

La fuerza la medimos en N, y el desplazamiento en m, su producto es una unidad que denominamos Julio, J, que es la unidad de energía en el Sistema Internacional. Esta unidad lleva este nombre en honor al físico inglés James Prescott Joule (1818-1889)

Un julio es el trabajo que realiza una fuerza de un newton cuando desplaza un cuerpo una distancia de un metro.

Si la fuerza que realiza trabajo no tiene la dirección del desplazamiento:

Debemos calcular la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento para calcular el trabajo. El trabajo es un escalar, pero se calcula como producto de dos vectores. El trabajo es el producto escalar de los vectores fuerza y desplazamiento.

El trabajo nos da la cantidad de energía que se transfiere de un cuerpo a otro pero no nos informa de si esta transferencia es muy rápida o muy lenta. De las máquinas nos interesa que hagan trabajo, pero que lo hagan con suficiente rapidez, de eso da cuenta la potencia.

La potencia es la relación entre el trabajo realizado y el tiempo empleado en realizarlo. Nos indica lo rápidamente que se realiza un trabajo. 

La unidad de potencia en el sistema internacional es el vatio. Recibe el nombre en honor al ingeniero e inventor escocés James Watt (1736-1819) a quien debemos el desarrollo de la máquina de vapor, pieza fundamental de la primera Revolución Industrial.

Un vatio (W) es la potencia de una máquina que realiza un trabajo de un julio cada segundo.

Otra unidad de potencia es el caballo de vapor (CV), que se define como la potencia de una máquina que eleva una masa de 75kg una altura de un metro cada segundo:

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

ENERGÍA MECÁNICA

En el estudio de los movimientos intervienen energías asociadas a los cuerpos. 

Pensemos en un coche en movimiento, la energía debida al movimiento le permite realizar cambios en otros cuerpos, como cuando, por desgracia, choca con otro. Estos impactos son más graves cuando el vehículo va a más velocidad, por tanto debe haber alguna relación entre la velocidad y su energía. Esta energía debida a la velocidad la denominamos energía cinética.

La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo por el hecho de estar en movimiento.

Fíjate que la energía cinética es proporcional a la masa del cuerpo, cuanta más masa tenga más energía puede comunicar, pero también es proporcional al cuadrado de la velocidad, de forma que cuando la velocidad se duplica la energía se cuadriplica, imagina el incremento del riesgo en la conducción cuando nos excedemos en la velocidad. 

En unidades del SI, cuando la masa está en kg y la velocidad en m/s la energía cinética viene dada en J.

Los cuerpos también sufren fuerzas por estar en un lugar determinado. Por ejemplo un cuerpo en un punto cualquiera de un campo gravitatorio sufre una fuerza de atracción. También sufre fuerzas de atracción y repulsión un cuerpo cargado en un campo eléctrico, o un cuerpo magnetizado en un campo magnético. En estos casos esos cuerpos también presentan una energía debida a la posición que ocupan en ese campo de fuerzas. Esta energía se denomina energía potencial. 

La energía potencial es la energía que tiene un cuerpo debido a la posición que ocupa en un campo gravitatorio.

Dentro de un campo gravitatorio los cuerpos siempre tienen esta energía. Cuando un cuerpo está en reposo no es fácil deducir esta energía, piensa en un libro que está sobre una mesa. Pero imagina que está en equilibrio sobre el borde de la mesa. Si cae esa energía que tenía, digamos en potencia, de ahí lo de potencial, se pone de manifiesto moviendo el cuerpo hacia la Tierra. La energía potencial depende de la altura que alcanza el cuerpo sobre el punto al que pueda caer dicho cuerpo. Tendremos que tener siempre en cuenta esta referencia del punto más bajo al que cae el cuerpo.

En unidades del SI, cuando la masa está en kg, g en m/s2 o N/kg y la altura en m la energía potencial viene dada en J.

La suma de la energía cinética y la energía potencial se denomina energía mecánica.

Cuando un cuerpo cae libremente, o desliza sin fuerzas de rozamiento, es decir, cuando sólo actúa la fuerza del peso su energía mecánica se conserva. 

Cuando la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo es el peso la energía mecánica se conserva.

¿Qué ocurre cuando una pelota cae libremente desde una determinada altura? Si suponemos nulas las fuerzas de rozamiento del aire la energía potencial en el punto más alto se va convirtiendo, a medida que desciende, en energía cinética. Esta energía cinética será máxima cuando llegue al suelo. La velocidad será máxima al entrar en contacto con el suelo. Al llegar al suelo si el choque es elástico la pelota rebota y alcanza la misma altura desde la que cayó. Si no alcanza la misma altura, alcanza una altura menor, es porque parte de la energía la pierde al deformarse al entrar en contacto con el suelo y se disipa en forma de calor.

Observa la siguiente simulación, en ella puedes comprobar como la energía mecánica se conserva. Si hay fuerzas de rozamiento la energía mecánica se va convirtiendo en energía calorífica.

SIMULACIÓN: ENERGÍA MECÁNICA, en phet.colorado.edu

ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO

Si queremos elevar un cuerpo a determinada altura debemos hacer un trabajo en contra de la fuerza del peso. Tenemos que hacer una fuerza igual al peso pero de sentido contrario. Supongamos que queremos elevar un cuerpo desde la posición 1 a la posición 2.

El trabajo de la fuerza contraria al peso es igual a la variación de la energía potencial. Cuando hacemos trabajo en contra de la fuerza del peso ese trabajo se almacena en forma de energía potencial.

Si no fijamos sólo en el peso, el trabajo del peso es igual a menos la variación de la energía potencial. Cuando un cuerpo cae bajo la acción de su propio peso, el trabajo que realiza el peso disminuye su energía potencial, pues lo lleva de las posiciones más altas a las más bajas.

Supongamos ahora un cuerpo que desliza sobre un plano horizontal, el trabajo de la fuerza resultante es igual a la variación de energía cinética.

Supongamos un cuerpo que pasa por la posición 1 con cierta velocidad, si hacemos una fuerza resultante ∑F sobre el cuerpo aumentará su velocidad hasta que alcance la posición 2.

Recordando a que era igual la aceleración y la distancia recorrida en el movimiento uniformemente acelerado, el trabajo de la fuerza resultante es:

El trabajo de la fuerza resultante es igual a la variación de la energía cinética.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA

En la fuerza resultante vamos a separar la fuerza del peso de todas las demás fuerzas, fuerzas de tracción, rozamiento, etc. Por tanto, el trabajo de la fuerza resultante será el trabajo del peso por un lado y el trabajo de las demás fuerzas por otro.

Como sabemos que el trabajo de la fuerza del peso es igual a menos la variación de la energía potencial.

Por tanto el trabajo de las fuerzas distintas del peso será igual a la variación de la energía mecánica.

En el caso que no actúen fuerzas distintas del peso la energía mecánica de un cuerpo se conserva. Este enunciado se conoce como Principio de conservación de la energía mecánica.

En los problemas nos fijaremos en si actúa sólo lo fuerza del peso, y en este caso debemos tomar nota de las alturas inicial y final y de las velocidades inicial y final del cuerpo.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

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