12. Enerxía

Principal Enunciados

CONCEPTO DE ENERXÍA

Xa vimos cando estudamos as forzas que a forza pon de manifesto que hai unha interacción entre dous corpos. Cando interaccionan dous corpos ás veces prodúcense cambios e outras veces non, como cando os corpos se manteñen en equilibrio. Cuado se producen cambios nun corpo podemos explicalos a partir dunha magnitude que se pode gañar ou perder, e que chamamos enerxía.

A enerxía é a capacidade que ten a materia para producir cambios.

A causa dos cambios son as interaccións entre os sistemas materiais, pero para que se produzan estes cambios a materia debe ter enerxía. 

Cando falamos de enerxía, igual que cando falamos de forza, confundimos os conceptos físicos con expresións coloquiales da nosa vida diaria que non sempre significan o mesmo. Por iso a importancia das definicións en física. Verás que cando hai cambios os corpos gañan ou perden enerxía, tamén poden intercambiar enerxía entre eles. Pero se non teñen enerxía non poden realizar cambios.

TIPOS DE ENERXÍA

A enerxía é unha magnitude única, pero podemos falar de diferentes formas ou tipos de enerxía en función dos cambios nos que participan.

Cando os corpos cambian o seu estado de movemento falamos de enerxía mecánica. Esta enerxía mecánica pode ser enerxía cinética cando un corpo se move con certa velocidade, ou enerxía potencial en función da posición que ocupe dentro dun campo gravitatorio ou electrostático.

Falamos de enerxía térmica á ligada aos cambios de temperatura dos corpos. Enerxía química a enerxía que teñen as substancias que lles permite reaccionar para dar outras sustancias novas. Enerxía eléctrica e enerxía magnética relacionada co movemento de cargas eléctricas na materia. Enerxía nuclear á que permite que os átomos se rompan nas centrais nucleares para obter enerxía. Todas estas enerxía coñécense tamén como enerxía interna da materia.

A enerxía tamén se pode transmitir como ondas electromagnéticas como enerxía radiante, do Sol por exemplo. Que é a enerxía que mantén a vida sobre a Terra.

Pero con todo lembra que a enerxía é un concepto único aínda que o podamos atopar en diferentes situacións.

Na nosa vida diaria necesitamos enerxía. Si temos o móbil descargado non funciona, poñémolo a cargar. Estamos transformando enerxía eléctrica en enerxía química da batería. Cando a batería está cargada aproveitamos esa enerxía química almacenada para producir enerxía eléctrica que faga funcionar os circuítos do teléfono. 

Logo de levantarnos almorzamos para que o noso organismo aproveite a enerxía dos alimentos. A forma máis fácil de obter enerxía dos alimentos é a través dos hidratos de carbono, por iso no almorzo non deben faltar os cereais, torradas ou similares. Estudarás que a enerxía a almacenamos dunha forma moi intelixente en moléculas energéticas, de ATP, que o organismo utiliza cando necesita enerxía.

Cando imos ao instituto usamos o bus, ou o coche, que tamén transforman a enerxía química dos combustibles en enerxía mecánica de movemento. Como ves todas as accións rutineiras da nosa vida necesitan enerxía, e nelas esta enerxía vaise transformando dunhas formas noutras.

MATERIA E ENERXÍA

Para estudar como se relaciona a materia coa enerxía debemos facer algunhas precisións en forma de definicións.

Para estudar unha porción de materia falaremos de sistema. Un sistema é unha parte do universo que illamos real ou imaginariamente do resto do universo. Un bote de marmelada, unha pota, unha habitación, un coche, poden ser exemplos de sistemas.

Nos sistemas distinguiremos entre:

Sistema aberto é un sistema que pode intercambiar materia e enerxía coa contorna. Un vaso de auga por exemplo.

Sistema pechado é un sistema que pode intercambiar enerxía pero non materia coa contorna. Un bote pechado por exemplo.

Sistema illado é un sistema que non pode intercambiar nin materia nin enerxía coa contorna. Un termo pechado por exemplo.

Un sistema pode conter unha certa cantidade de enerxía e esta enerxía pódese intercambiar coa contorna só de dúas formas, en forma de traballo ou en forma de calor. A calor e o traballo son formas de enerxía en movemento, que pasan duns corpos a outros. Non debemos dicir que un corpo ten calor, senón que ten enerxía, a calor é unha enerxía que pode ceder ou absorber un corpo. O mesmo podemos dicir do traballo. Dise que a calor e o traballo son enerxías en transito.

Nun sistema illado a enerxía consérvase. Si o universo considérase un sistema illado nel tamén se cumpre que a enerxía consérvase. Por que temos tanto problema entón coa enerxía? Xa vimos que para que as cousas funcionen a enerxía debe fluír duns corpos a outros e transformarse dunhas formas noutras de enerxía. Pero non todas as formas de enerxía son igualmente eficaces. En moitos procesos a enerxía disípase en forma de calor, e esta enerxía térmica, debida á axitación dos átomos e moléculas da materia é unha forma moi pouco útil de enerxía como xa veremos.

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

TRABALLO E POTENCIA

Xa vimos que o traballo é unha forma de ceder enerxía a un corpo. Cando se cede enerxía en forma de traballo sempre intervén unha forza. 

Imaxina que temos un corpo en repouso, se queremos producir un cambio sobre el debemos facer unha forza sobre o mesmo. Pero ás veces a forza non é suficiente para movelo, entón non sofre ningún cambio. Supón que facemos unha forza maior e movémolo neste caso si sofre un cambio.

O traballo é a enerxía que se cede a un sistema pola acción dunha forza que lle provoca un desprazamento.

Supoñamos que arrastramos un corpo facendo unha forza na dirección do desprazamento:

O traballo mecánico é o produto da forza aplicada na dirección do movemento polo desprazamento producido.

A forza medímola en N, e o desprazamento en m, o seu produto é unha unidade que denominamos joule, J, que é a unidade de enerxía no Sistema Internacional. Esta unidade leva este nome en honor ao físico inglés James Prescott Joule (1818-1889).

Un joule é o traballo que realiza unha forza dun newton cando despraza un corpo unha distancia dun metro.

Se a forza que realiza traballo non ten a dirección do desprazamento:

Debemos calcular a compoñente da forza na dirección do desprazamento para calcular o traballo. O traballo é un escalar, pero calcúlase como produto de dous vectores. O traballo é o produto escalar dos vectores forza e desprazamento.

O traballo dános a cantidade de enerxía que se transfire dun corpo a outro pero non nos informa de se esta transferencia é moi rápida ou moi lenta. Das máquinas interésanos que fagan traballo, pero que o fagan con suficiente rapidez, diso dá conta a potencia.

A potencia é a relación entre o traballo realizado e o tempo empregado en realizalo. Indícanos o rápidamente que se realiza un traballo.

A unidade de potencia no sistema internacional é o watt, W. Recibe o nome en honor ao enxeñeiro e inventor escocés James Watt (1736-1819) a quen debemos o desenvolvemento da máquina de vapor, peza fundamental da primeira Revolución Industrial.

Un watt (W) é a potencia dunha máquina que realiza un traballo dun joule cada segundo.

Outra unidade de potencia é o cabalo de vapor (CV), que se define como a potencia dunha máquina que eleva unha masa de 75kg unha altura dun metro cada segundo:

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

ENERXÍA MECÁNICA

No estudo dos movementos interveñen enerxías asociadas aos corpos. 

Pensemos nun coche en movemento, a enerxía debida ao movemento permítelle realizar cambios noutros corpos, como cando, por desgraza, choca con outro. Estes impactos son máis graves cando o vehículo vai a máis velocidade, xa que logo debe haber algunha relación entre a velocidade e a súa enerxía. Esta enerxía debida á velocidade denominámola enerxía cinética.

A enerxía cinética é a enerxía que ten un corpo polo feito de estar en movemento.

Fíxache que a enerxía cinética é proporcional á masa do corpo, canta máis masa teña máis enerxía pode comunicar, pero tamén é proporcional ao cadrado da velocidade, de forma que cando a velocidade se duplica a enerxía se cuadriplica, imaxina o incremento do risco na condución cando nos excedemos na velocidade.

En unidades do SI, cando a masa está en kg e a velocidade en m/s a enerxía cinética vén dada en J.

Os corpos tamén sofren forzas por estar nun lugar determinado. Por exemplo un corpo nun punto calquera dun campo gravitatorio sofre unha forza de atracción. Tamén sofre forzas de atracción e repulsión un corpo cargado nun campo eléctrico, ou un corpo magnetizado nun campo magnético. Nestes casos eses corpos tamén presentan unha enerxía debida á posición que ocupan nese campo de forzas. Esta enerxía denomínase enerxía potencial. 

A enerxía potencial é a enerxía que ten un corpo debido á posición que ocupa nun campo gravitatorio.

Dentro dun campo gravitatorio os corpos sempre teñen esta enerxía. Cando un corpo está en repouso non é fácil deducir esta enerxía, pensa nun libro que está sobre unha mesa. Pero imaxina que está en equilibrio sobre o bordo da mesa. Se cae esa enerxía que tiña, digamos en potencia, de aí o de potencial, ponse de manifesto movendo o corpo cara á Terra. A enerxía potencial depende da altura que alcanza o corpo sobre o punto ao que poida caer devandito corpo. Teremos que ter sempre en conta esta referencia do punto máis baixo ao que cae o corpo.

En unidades do SI, cando a masa está en kg, g en m/s2 ou N/kg e a altura en m a enerxía potencial vén dada en J.

A suma da enerxía cinética e a enerxía potencial denomínase enerxía mecánica.

Cando un corpo cae libremente, ou esvara sen forzas de rozamento, é dicir, cando só actúa a forza do peso a súa enerxía mecánica consérvase.

Cando a única forza que realiza traballo sobre un corpo é o peso a enerxía mecánica consérvase.

Que ocorre cando unha pelota cae libremente desde unha determinada altura? Se supoñemos nulas as forzas de rozamento do aire a enerxía potencial no punto máis alto vaise convertendo, a medida que descende, en enerxía cinética. Esta enerxía cinética será máxima cando chegue ao chan. A velocidade será máxima ao entrar en contacto co chan. Ao chegar ao chan se o choque é elástico a pelota rebota e alcanza a mesma altura desde a que caeu. Se non alcanza a mesma altura, alcanza unha altura menor, é porque parte da enerxía a perde ao deformarse ao entrar en contacto co chan e disípase en forma de calor.

Observa a seguinte simulación, nela podes comprobar como a enerxía mecánica se conserva. Se hai forzas de rozamento a enerxía mecánica vaise convertendo en enerxía calorífica.

SIMULACIÓN: ENERXÍA MECÁNICA, en phet.colorado.edu

ENERXÍA MECÁNICA E TRABALLO

Se queremos elevar un corpo a determinada altura debemos facer un traballo en contra da forza do peso. Temos que facer unha forza igual ao peso pero de sentido contrario. Supoñamos que queremos elevar un corpo desde a posición 1 á posición 2.

O traballo da forza contraria ao peso é igual á variación da enerxía potencial. Cando facemos traballo en contra da forza do peso ese traballo almacénase en forma de enerxía potencial.

Se non fixamos só no peso, o traballo do peso é igual a menos a variación da enerxía potencial. Cando un corpo cae baixo a acción do seu propio peso, o traballo que realiza o peso diminúe a súa enerxía potencial, pois o leva das posicións máis altas ás máis baixas.

Supoñamos agora un corpo que desliza sobre un plano horizontal, o traballo da forza resultante é igual á variación de enerxía cinética.

Supoñamos un corpo que pasa pola posición 1 con certa velocidade, se facemos unha forza resultante ∑F sobre o corpo aumentará a súa velocidade ata que alcance a posición 2.

Lembrando a que era igual a aceleración e a distancia percorrida no movemento uniformemente acelerado, o traballo da forza resultante é:

O traballo da forza resultante é igual á variación da enerxía cinética.

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DA ENERXÍA MECÁNICA

Na forza resultante imos separar a forza do peso de todas as demais forzas, forzas de tracción, rozamento, etc. Xa que logo, o traballo da forza resultante será o traballo do peso por unha banda e o traballo das demais forzas por outro.

Como sabemos que o traballo da forza do peso é igual a menos a variación da enerxía potencial:

Xa que logo o traballo das forzas distintas do peso será igual á variación da enerxía mecánica.

No caso que non actúen forzas distintas do peso a enerxía mecánica dun corpo consérvase. Este enunciado coñécese como Principio de conservación da enerxía mecánica.

Nos problemas fixarémonos en se actúa só o forza do peso, e neste caso debemos tomar nota das alturas inicial e final e das velocidades inicial e final do corpo.

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

Principal Enunciados