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[4]ES

Física La energía

Física [4] ES

| Federico Taddei | Cecilia Sobico | Raúl Righini | | Coordinación: Federico Taddei |

Cód. 19232 ISBN 978-950-01-1354-0

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índice Para aprovechar este libro ..............................................

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Bloque 1

Transformaciones de energía Capítulo 1 Los sistemas, los cambios y la energía Los sistemas físicos .................................................................. Los sensores ........................................................................ El estado de un sistema ....................................................... Simetrías en los cambios de estado ....................... Historia del concepto de energía ................................... La energía de un sistema ..................................................... Transferencia de energía ............................................... Formas y transformaciones de energía ........................ Energía cinética .................................................................. Las energías potenciales ................................................ Energía potencial elástica .............................................. Energía potencial gravitatoria ..................................... Energía potencial eléctrica ........................................... Energía potencial química ............................................ Energía radiante ................................................................ Energía de masa en reposo ........................................ Energía potencial nuclear ............................................. Energía térmica .................................................................. Clasificación tecnológica de la energía ......................... Las unidades de energía ....................................................... Órdenes de magnitud ........................................................... Equilibrio y energía ................................................................. Potencia ........................................................................................ Propuesta de actividades ................................................... Propuesta de actividades El descubrimiento de la antimateria .......................

12 12 13 13 14 15 15 16 16 17 17 18 19 19 20 21 21 22 22 22 24 25 26 27 28

Capítulo 2 La energía y el trabajo Procesos espontáneos y no espontáneos ................ Breve reseña del uso de la energía por parte de los humanos ................................................ La era del vapor ............................................................... La era de la electricidad ..............................................

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La era del petróleo ......................................................... La era nuclear .................................................................... El trabajo ..................................................................................... No hay trabajo sin movimiento .............................. El rozamiento ..................................................................... Trabajo y energía cinética ........................................... Trabajo y energía gravitatoria ................................... Trabajo y energía potencial elástica ...................... Las máquinas, el trabajo y la energía ........................... Eficiencia ....................................................................................... Recursos energéticos ........................................................... Los motores de combustión .................................... ¿Cuánta energía se usa en el mundo? ......................... Proyección al futuro del consumo energético ..... El problema de la sustentabilidad ........................... Propuesta de actividades ................................................... Propuesta de actividades Poleas ..................................................................................... La mega minería ............................................................... Profesionales en actividad ................................................ Síntesis conceptual ...............................................................

32 32 32 34 34 34 36 37 38 39 40 40 40 42 42 43 44 45 46 48

Bloque 2

El uso de la energía a gran escala Capítulo 3 La energía nuclear La energía del Sol y las estrellas ..................................... La revolución en la física a comienzos del siglo xx ...... La radiactividad y el núcleo atómico ........................... Número atómico y número másico ..................... Isótopos y semivida ........................................................ Estabilidad del núcleo atómico ....................................... Fisión y fusión .................................................................... Unidades de energía en física nuclear ......................... Energía de enlace ................................................................... Fisión y centrales nucleares ............................................... Reacción en cadena ....................................................... Funcionamiento de una central nuclear .................... El plutonio ........................................................................... Residuos nucleares ................................................................ La energía de fusión nuclear ............................................

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Los reactores nucleares de fusión ................................ La evolución de las estrellas ............................................. Propuesta de actividades ................................................... Propuesta de actividades Decaimiento radiactivo ................................................

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Capítulo 4 Fuentes macroscópicas de energía El problema de las energías no renovables ............. Fuentes no renovables de energía ................................ Energía solar .............................................................................. Energía solar en la Argentina .................................... Energía eólica ............................................................................ Energía hidráulica .................................................................... Centrales hidroeléctricas ............................................ Energía de los océanos ....................................................... Energía de las mareas .................................................... Energía undimotriz .......................................................... Energía geotérmica ................................................................ Bioenergía ................................................................................... Recursos energéticos de biomasa ................................ Cultivos energéticos ...................................................... Propuesta de actividades ................................................... Propuesta de actividades El debate sobre los agrocombustibles ................. Profesionales en actividad ................................................ Síntesis conceptual ...............................................................

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Bloque 3

La energía eléctrica Capítulo 5 La electricidad Materia y partículas cargadas ........................................... La fuerza entre cargas eléctricas: la Ley de Coulomb ................................................................ Partículas con carga eléctrica: el electrón y el protón ......................................................... El campo eléctrico ................................................................. Un campo eléctrico para cocinar: el horno de microondas ..............................................

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88 89 90 91 92

Energía eléctrica de una distribución de cargas ....... 92 El potencial eléctrico ............................................................ 93 Fuentes de voltaje .................................................................. 94 Corriente eléctrica ................................................................. 95 Resistencia eléctrica ....................................................... 95 La Ley de Ohm ................................................................ 96 Conexión en serie .......................................................... 96 Conexión en paralelo ................................................... 96 La distribución eléctrica en el hogar ..................... 97 Los elementos de protección .................................. 97 Potencia eléctrica .................................................................... 98 Lamparitas, fusibles y efecto Joule .......................... 98 El consumo eléctrico domiciliario .................................. 99 Energía eléctrica en el hogar ..................................... 99 Energía eléctrica a partir de energía solar ................ 100 Propuesta de actividades ................................................... 101 Propuesta de actividades Las experiencias de Galvani y Volta ...................... 102 Cómo fabricar una pila ................................................ 103

Capítulo 6 Generación y distribución de energía eléctrica El magnetismo y el campo magnético ........................ 104 La inducción electromagnética ................................ 104 Formas de generar una corriente eléctrica ............. 105 Los grandes generadores de electricidad ................. 106 Un generador al revés: el motor eléctrico ........ 106 Las centrales eléctricas ........................................................ 107 Las centrales de base .................................................... 107 Las centrales de punta .................................................. 107 El verdadero costo de la energía: los problemas ambientales ................................................ 108 Centrales argentinas: potencia nacional ..................... 109 Energía disponible y centrales eléctricas: una relación de conveniencia ................................... 109 La transmisión de energía eléctrica .............................. 110 Alta tensión y transmisión de energía eléctrica ....... 111 El Sistema Argentino de Interconexión ..................... 112 La gran aspiradora eléctrica: el gba ....................... 112 Un sistema interconectado para Sudamérica ...... 112 Demanda y generación de energía: historia de una carrera ........................................................ 113 Nuevas centrales para un mayor consumo ..... 113 ¿Quién consume la energía eléctrica? .................. 113 Carga de una central ............................................................ 114

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Factor de carga ................................................................. 114 Propuesta de actividades ................................................... 115 Propuesta de actividades Construcción de un motor eléctrico ................... 116 Profesionales en actividad ................................................ 118 Síntesis conceptual ............................................................... 120

Bloque 4

La energía y los procesos térmicos Capítulo 7 Intercambios de energía La temperatura ........................................................................ 124 Una interpretación microscópica de la temperatura ........................................................... 125 El calor .......................................................................................... 126 El calor no es energía .................................................... 127 Calor específico ................................................................ 127 Energía interna ......................................................................... 128 Mecanismos de transferencia de energía por calor ............................................................. 129 Conducción ............................................................................... 129 La Ley de Fourier para la conducción estacionaria ......................................................................... 130 Convección ................................................................................ 131 La Ley de Newton para la convección ............... 132 Radiación ..................................................................................... 133 El color y la temperatura de las estrellas ........... 133 La Ley de Stefan-Boltzmann para la radiación .... 134 El efecto invernadero ........................................................... 135 Nuevas fuentes de energía ............................................... 136 Propuesta de actividades ................................................... 137 Propuesta de actividades La Teoría del Calórico y la Teoría Cinética de la materia........................................................................ 138

Capítulo 8 La energía y los seres vivos Julius Robert Mayer: de la medicina a la física ........ 140 Flujo de energía en los ecosistemas ............................ 140 Metabolismo .............................................................................. 142 La tasa metabólica .................................................................. 143

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Cálculo de la tasa metabólica ................................... 144 Mecanismos de regulación de la temperatura en los seres vivos .................................................................... 145 Evaporación ............................................................................... 145 Conducción, convección y radiación ........................... 146 La sensación térmica ............................................................ 146 Termorregulación en los humanos ............................... 148 La piel desnuda humana .............................................. 148 Cambios funcionales en los cambios de escala ..... 149 Adaptaciones en animales endotermos .................... 150 Intercambio de energía térmica a contracorriente ............................................................. 150 Propuesta de actividades ................................................... 151 Propuesta de actividades Una alimentación saludable ....................................... 152 Profesionales en actividad ................................................ 154 Síntesis conceptual ............................................................... 156

Bloque 5

Conservación y degradación de la energía

Capítulo 9 Energía, calor y trabajo La energía del movimiento microscópico ................ 160 Una idea unificadora ...................................................... 161 El equivalente mecánico del calor ................................. 162 El “experimento pensado” de Mayer ................... 162 Los experimentos de Joule ...................................... 163 La conservación de la energía ......................................... 163 Termodinámica ........................................................................ 164 Tipos de sistema y variables termodinámicas ...... 165 Primer Principio de la Termodinámica ........................ 166 Aplicaciones del Primer Principio de la Termodinámica ...................................................... 167 La importancia de definir el sistema ............................ 168 Primer principio aplicado a evoluciones de gases ideales ....................................................................... 169 Evolución de un gas ideal ................................................... 170 Forma general del Primer Principio de la Termodinámica ............................................................. 171 Las máquinas térmicas ......................................................... 172

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Propuesta de actividades ................................................... 173 Propuesta de actividades El equivalente mecánico del calor ......................... 174

Propuesta de actividades El futuro del uso humano de la energía ............. 190 Profesionales en actividad ................................................ 192 Síntesis conceptual ............................................................... 194

Capítulo 10 La degradación de la energía Procesos espontáneos y flujo de energía ................. 176 Dispersión de la energía ..................................................... 177 Procesos irreversibles y reversibles .............................. 178 Eficiencia y termodinámica ................................................ 179 Móviles perpetuos ................................................................. 180 Entropía ........................................................................................ 181 Procesos isotérmicos y entropía ............................ 181 Equivalencia de los enunciados del segundo principio .................................................... 182 Entropía y máquinas térmicas .................................. 182 Mejoras en la eficiencia ....................................................... 183 Centrales termoeléctricas de ciclo combinado ........................................................ 183 Recursos renovables y no renovables ........................ 184 La crisis energética ................................................................. 185 Captura y secuestro de carbono ........................... 185 Almacenamiento de energía en aire comprimido ....................................................... 186 La huella ecológica ................................................................. 187 Sustentabilidad ......................................................................... 188 Propuesta de actividades ................................................... 189

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SECCIÓN FINAL

La física como emprendimiento humano La física como una “aventura de pensar y hacer” ...... 198 Esa cosa llamada ciencia .............................................. 199 La validación de los resultados experimentales .... 200 Un anuncio decepcionante: el caso de la fusión fría ................................................. 200 El azar en las investigaciones ............................................ 202 La tecnociencia en el mundo contemporáneo ..... 203 Ciencia argentina de exportación ................................. 204 La comprensión pública de la ciencia ......................... 205 Dónde se estudia, dónde se investiga ......................... 205

Índice alfabético ...................................................................... 206

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PARA APROVECHAR

ESTE LIBRO LOS CAPÍTULOS Presentan y explican los contenidos de la materia con el apoyo de fotografías, ilustraciones, infografías, tablas y gráficos. En forma complementaria, se presentan actividades que permiten ejercitar, investigar y analizar los contenidos desarrollados. Encontrarán además plaquetas con temas relacionados con los contenidos, incluidos aquellos que se vinculan con la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente.

PROPUESTA DE ACTIVIDADES Al final de cada capítulo se proponen actividades que permiten revisar, integrar y aplicar la información que brinda el capítulo. Están diferenciadas por color: las actividades de fondo azul permiten reorganizar los conceptos desarrollados. Las de fondo marrón son más extensas y proponen actividades de exploración, de experimentación, de lectura y análisis de artículos de divulgación.

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LOS BLOQUES

LAS ENTREVISTAS Y LA DIVULGACIÓN Al final de cada bloque se presenta una entrevista a un profesional para conocer las tareas que realiza y sus implicancias en la ciencia y la sociedad, o un artículo de divulgación. Esta sección incluye actividades que conducen al debate y la reflexión acerca del contenido de la entrevista o del artículo.

LA FÍSICA COMO EMPRENDIMIENTO HUMANO La sección final del libro presenta la física como una actividad individual y colectiva, en el contexto de la sociedad y la cultura, y se brinda información acerca de las instituciones en las que se estudian e investigan temas de física.

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HUELLAS

El libro está organizado en cinco bloques, cada uno de ellos contiene capítulos que tratan acerca de diversos aspectos de la energía: transformaciones de energía (Bloque 1), el uso de la energía a gran escala (Bloque 2), la energía eléctrica (Bloque 3), la energía y los procesos térmicos (Bloque 4) y conservación y degradación de la energía (Bloque 5).

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BLOQUE

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Transformaciones de energĂ­a

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1. Los sistemas, los cambios y la energía 2. La energía y el trabajo

I I

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“La Naturaleza usa solamente los hilos más largos para tejer sus diseños, de manera que cada pequeña porción de tejido revela la organización del tapiz entero”. Richard P. Feynman, físico estadounidense (1918-1988)

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CONTENIDOS || SISTEMAs físicos | ESTADOS DE UN SISTEMA | HISTORIA DEL CONCEPTO DE ENERGÍA | ENERGÍA DE UN SISTEMA | TRANSFERENCIA DE ENERGÍA | FORMAS Y TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA | UNIDADES DE ENERGÍA | EQUILIBRIO Y ENERGÍA | POTENCIA

1 Los sistemas, los cambios y la energía El Universo es escenario de constantes y múltiples cambios, que no se producen de manera aislada, sino que se relacionan entre sí. El trabajo de los físicos, a lo largo de la historia, ha permitido descubrir relaciones cuantitativas más o menos evidentes en los cambios. Una de estas relaciones se expresa mediante el concepto de energía y ha resultado tan genérica que es considerada una de las leyes básicas del Universo.

Los sistemas físicos Un sistema físico es un conjunto formado por diversas partes relacionadas entre sí. El Universo es un enorme sistema, pero también hay sistemas mucho más pequeños, como una célula, un átomo, o un núcleo atómico. Cualquier sistema está formado por partes o subsistemas. Por ejemplo, el Sistema Solar está formado por planetas de distinta clase, asteroides, el Sol, cometas, polvo y gas; y una gota de agua está constituida por cuatrillones de átomos de oxígeno e hidrógeno. El conjunto de relaciones que existen entre los componentes de un sistema se denominan estructura interna del sistema. Por ejemplo, la estructura cristalina es un tipo de orden que se establece entre los átomos de un material.

Los sistemas interactúan con un entorno o ambiente; las partes del sistema que se relacionan directamente con el ambiente constituyen la frontera. Esta puede ser rígida o móvil, y puede tener forma definida o ser difusa, como la frontera de la atmósfera terrestre. En la frontera ocurren intercambios entre el sistema y el entorno. El único sistema en el que no se producen estos intercambios es el Universo. Un conjunto de elementos que no interactúan entre sí no constituyen un sistema. En los sistemas se verifica que existe una interacción cuando dos aspectos se modifican de manera relacionada. Por ejemplo, un cuerpo se enfría cuando otro se calienta: el cambio de ambas temperaturas indica que hay alguna interacción entre los dos cuerpos.

Los sensores

Una galaxia es un sistema físico en el que se producen cambios como consecuencia de las interacciones dentro del sistema y con el resto del Universo.

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Para detectar interacciones, primero hay que identificar cambios que estén relacionados. Y para ello, se necesitan sensores, es decir, sistemas que se alteran frente a esos cambios. También se precisa memoria, ya que sin ella, no se podrían comparar situaciones en diferentes momentos y no podríamos detectar cambios. Los detectores son sensibles a cambios que no percibimos o que escapan a nuestra

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capacidad de elaboración, y a partir de ellos se produce una señal que podemos detectar con nuestros sentidos.

nen un estado se modifica, se dice que el estado del sistema ha cambiado.

simetrías en los cambios de estado

Los electrocardiógrafos son sensibles a la actividad eléctrica cardíaca. el registro de esta actividad es lo que se denomina electrocardiograma.

el estado de un sistema Un sistema puede encontrarse en diferentes condiciones o estados. Por ejemplo, una bola de hierro puede estar a una determinada temperatura, y luego, a otra. En cada caso, la bola de hierro se encuentra en un estado diferente. También, se podría diferenciar si la bola se mueve en una dirección u otra. Cada dirección de movimiento representa un estado distinto. El estado de un sistema se define por el valor de ciertas magnitudes, es decir, de propiedades que se pueden medir, como el peso, la velocidad, la temperatura, la posición, la masa, el volumen, el número de partículas o la carga eléctrica. En física, el estado de un sistema se identifica mediante un conjunto de valores asociados con magnitudes diferentes. Cuando alguno de estos valores que defi-

Si se observan los fenómenos que suceden en el ambiente, se puede advertir que un cambio siempre se relaciona con otros. Por ejemplo, cuando una persona corre, la temperatura de su cuerpo aumenta; una maceta que cae se mueve más rápido a medida que se reduce su distancia al suelo o una fogata calienta el ambiente mientras la leña se transforma en cenizas. Es decir, que en todo proceso siempre hay, por lo menos, dos aspectos que se modifican de manera relacionada. En otras palabras, los cambios se producen por interacciones. La física se ocupa de estudiar las interacciones: cuál es la relación entre los cambios y cuáles son los mecanismos o procesos que se suceden en ellos. En sus investigaciones, los físicos han descubierto que existen relaciones precisas entre los diferentes aspectos de un proceso de cambio cualquiera. Una de estas relaciones resultó, al menos hasta ahora, tan general, que se ha convertido en una de las leyes básicas que usan los físicos para explicar todo lo que sucede en el Universo. Esta ley general sobre los procesos de cambio se relaciona con el concepto de energía. acTividades 1. observen las siguientes imágenes que

ilustran diferentes procesos de cambio. A

B

gas

volumen en cada punto

densidad presión temperatura

el estado de un gas queda determinado cuando se conocen los valores del volumen que ocupa, la densidad, la presión y la temperatura en cada uno de sus puntos.

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a. Indiquen algunos cambios que se producen durante el proceso. ¿cuáles son los componentes del sistema que cambian? b. ¿Qué magnitudes definirían para caracterizar los estados del sistema?

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Historia del concepto de energía La palabra “energía” proviene del griego en-ergon, que significa “en actividad”. En la Antigua Grecia, el filósofo Aristóteles (384-322 a.C.) llamaba enérgeia a aquello que hacía que algo pudiera realizar una acción y causar un efecto. Durante el siglo xvii, en Europa, renació el interés por analizar los fenómenos naturales, y se trataba de encontrar leyes comunes a todos ellos. Por ejemplo, el filósofo francés René Descartes (1596-1650) propuso que los cambios en los movimientos, los fenómenos físicos (como la gravedad y el magnetismo) y las propiedades (como el color, el olor, etc.) se pueden explicar mediante choques entre cuerpos. Si bien, sus ideas eran acertadas en muchos aspectos, en otros, no resultaron satisfactorias porque sus predicciones, en algunos casos, no coincidían con los resultados de las experiencias. Sin embargo, fueron un aporte importantísimo para el debate y la investigación. Pocos años después, el matemático alemán Gottfried Leibniz (1646-1716), cuando estudiaba los choques entre los cuerpos, introdujo la idea de vis-viva (“fuerza viva”), precursora directa del concepto moderno de energía. Según Leibniz, la vis-viva es la “moneda de la naturaleza” porque es una propiedad que permanece constante, sin importar lo que pase. De manera similar al dinero, la energía puede repartirse en partes que suman siempre un mismo valor total.

m1 m1

v1

acTividades

choque

m2

v2

v1f m2

v2f

m1 . v12 + m2 . v22 = m1 . v1f2 + m2 . v2f2

Leibniz descubrió que en un choque elástico, la vis-viva del sistema no se modifica. es decir, la suma de m . v2 de los cuerpos es igual antes y después del choque.

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Leibniz no estudió los choques entre cuerpos mediante experimentos, sino que utilizó cálculos matemáticos, razonamientos y suposiciones. Así, llegó a proponer que el valor de la vis-viva de un cuerpo en movimiento es igual al producto de su masa por el cuadrado de su velocidad (m . v2). Esta fue la primera manifestación de la energía que se logró medir, y es la definición de lo que llamamos, en la actualidad, energía cinética, con un factor ½ de diferencia (Ecinética = ½ m . v2, donde m es masa y v velocidad). El término vis-viva fue reemplazado por el de energía, en 1849, por el físico inglés Thomas Young (1773-1829). En aquella época, Europa era el escenario de un masivo y creciente proceso de industrialización basado en el uso de la máquina de vapor, que utilizaba carbón como combustible. La necesidad de mejorar el rendimiento de estas máquinas despertó el interés de los técnicos y los científicos por el estudio de los procesos en los que se usa calor para producir movimiento. A partir de estas investigaciones, el concepto de energía terminó de refinarse, y se hizo extensivo a todo tipo de fenómenos físicos. Los investigadores reconocieron que todos los procesos de cambio, cualquiera sea su naturaleza, pueden compararse mediante una propiedad: la energía. La energía es una característica de los cambios o las transformaciones que se producen en los sistemas físicos. Cada cambio tiene asociada una cantidad de energía. La energía involucrada en distintos cambios se puede comparar, y por eso, la energía puede medirse.

1. Propongan un experimento para determinar si el choque entre dos bolas es elástico. a. ¿Qué magnitudes medirían para decidir si el choque es elástico? b. ¿cómo procederían? c. ¿Qué cálculos harían?

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A

eStado energía energía del estado final del sistema energía del estado inicial del sistema

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e

e

Final

del proceSo

=e

Final

E

FINAL

—E

INICIAL=

E

inicial

el valor e de la energía de un proceso es la diferencia entre la energía del estado final y el inicial. B E4

Transferencia de energía

E3

estado 4 estado 3

E2

estado 2

E1

estado 1

E0

estado de referencia

La energía de un estado de un sistema es la energía del proceso de cambio desde ese estado hasta otro elegido como referencia. C a B

transferencia de energía

energía

Las observaciones científicas demuestran que, en el Universo, cuando la energía aumenta en un sistema, disminuye en otro. Por ejemplo, cuando un resorte comprimido se libera y empuja una bolita, pierde la energía que tenía cuando estaba comprimido, y ya no puede acelerar otra bolita. En cambio, la bolita que estaba quieta, terminó moviéndose con energía cinética. En general, cuando se observa que la energía de un sistema A aumenta y la de otro sistema B disminuye, se dice que hay una transferencia de energía del sistema B al A (Figura c). En el ejemplo anterior, el resorte (sistema B), al descomprimirse, transfiere energía a la bolita (sistema A); pero esto no significa que se haya transmitido una sustancia invisible del resorte a la bolita, sino

eStado

proceso de cambio

inicial

a

estado inicial

energía

La energía es una propiedad de los cambios o las transformaciones de los sistemas físicos. En cada proceso de cambio, un sistema pasa de un estado inicial a otro final. Cada transición “estado inicial-estado final” particular tiene asociada una cantidad de energía determinada (Figura a). Cuando se estudia un sistema, se elige arbitrariamente un estado determinado como referencia al que se le asigna el valor cero de energía. Así, se puede asignar un valor de energía al resto de los estados del sistema. El valor de cada estado particular corresponde al cambio desde ese estado hasta el estado de referencia. Es decir, cuando se habla de la energía de un sistema en un estado particular, en realidad, se habla de la energía del proceso de cambio del sistema desde el estado de referencia elegido hasta el estado final (Figura B). Por ejemplo, en el caso de la energía de un combustible, se está hablando de la energía del cambio desde el estado inicial (la masa de combustible sin incendiar, con un valor cero de energía) hasta el estado final (el combustible completamente incendiado).

que la energía del resorte disminuyó y la energía de la bolita aumentó. La energía es un valor que se asigna al estado de un sistema, de acuerdo con algunas de sus propiedades.

energía

La energía de un sistema

B estado final

Cuando la energía del sistema B disminuye y la del sistema a aumenta, se transfirió energía del sistema B al a.

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Ec = 12 m . v2 variaciÓn de energía cinÉTica energía

cinÉtica, maSa Y rapideZ

ec

Los estados de diferente energía de un sistema pueden distinguirse mediante los valores de magnitudes, como la masa, la posición en el espacio, la temperatura o la rapidez del sistema. Por ejemplo, la energía de un resorte se relaciona con la dureza del material con que está fabricado y la longitud de su deformación; en cambio, la energía interna de una masa de material caliente depende de su temperatura. La energía se puede clasificar de diferentes formas, de acuerdo con la magnitud a la que está asociada en cada caso; por ejemplo, energía de movimiento, elástica, radiante o nuclear. Si en un proceso de cambio la cantidad de una forma de energía disminuye y la de otra forma aumenta, se dice que hubo una transformación de energía de la primera forma en la segunda. Por ejemplo, en los paneles solares fotovoltaicos la energía radiante se transforma en energía eléctrica. Todas las formas de la energía pueden clasificarse en cuatro grandes grupos: energía de movimiento o energía cinética, energías de interacción o energías potenciales, energía radiante y energía de masa en reposo.

La dirección del movimiento no influye en el valor de la energía cinética. Por lo tanto, si un cuerpo que se mueve con cierta rapidez cambia la dirección del movimiento, su energía cinética no varía. Finalmente, si un sistema está formado por varios cuerpos, la energía cinética del sistema es la suma de las energías cinéticas de sus partes. La energía cinética (Ec) se define como:

v m

v 2m

Los cuerpos tienen igual rapidez, pero el que tiene el doble de masa tiene el doble de energía cinética.

ec

formas y transformaciones de energía

energía cinética

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v m

2v m

si la rapidez de un cuerpo se duplica, su energía cinética se cuadruplica. energía

cinÉtica Y direcciÓn de movimiento

ec

Todo cuerpo que se mueve (respecto de un sistema de referencia) tiene energía cinética (del griego kinesis, que significa “movimiento”). Un disco que gira, una membrana que vibra, una corriente de aire o un proyectil tienen energía cinética y pueden producir cambios, por ejemplo, al chocar con otro cuerpo. Si un cuerpo se encuentra quieto está en estado de energía cinética igual a cero. La cantidad de energía cinética de un cuerpo depende de su rapidez y de su masa. Cuanto más rápido se mueve un cuerpo, mayor es su energía cinética. Por otro lado, para dos cuerpos con la misma rapidez, tiene mayor energía cinética el que tiene más masa.

v

v

La energía cinética de un cuerpo que cambia la dirección del movimiento no se modifica.

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Las energías potenciales Si un trozo de hierro y un imán están cerca, se atraen y se aceleran hasta chocar. A medida que se acercan, su energía cinética aumenta y la energía magnética disminuye. En los sistemas de cuerpos que ejercen fuerzas unos sobre otros, como el del ejemplo anterior, existen formas de energía de unión o potenciales. Las energías potenciales están “ocultas”; solo se manifiestan cuando se transforman en energía cinética o radiante. El valor de la energía potencial de un sistema depende de la ubicación de un cuerpo respecto de otro. Un sistema formado por dos cuerpos que se atraen tiene mayor energía potencial cuanto más separados estén los cuerpos. A mayor distancia entre los cuerpos, mayor es la rapidez con la que chocarán. En cambio, un sistema formado por dos cuerpos que se rechazan tiene mayor energía potencial cuanto más próximos están los cuerpos.

Una k = 2 N/cm significa que, por cada centímetro que aumenta la deformación, la fuerza que ejerce el resorte se incrementa 2 N. Un resorte tiene energía potencial elástica cuando está deformado, y el estado Epe = 0 corresponde al resorte sin deformar. La energía de un resorte de constante k que tiene una deformación ∆x se puede calcular: Epe = 1 k . ∆x2 2

∆x

posición de estiramiento = 0

k = F / ∆x

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cuanto mayor es la k, más duro es el resorte.

epe

v=0

el resorte estirado tiene energía elástica y el cuerpo no tiene energía cinética. v

energía potencial elástica Los cuerpos elásticos son aquellos que, luego de deformarse, tienden a recuperar su forma original, por ejemplo, un resorte. Los cuerpos elásticos deformados acumulan energía potencial elástica (Epe). Cuanto mayor es la deformación, mayor es la cantidad de energía potencial elástica acumulada. La energía potencial elástica puede transferirse. Por ejemplo, cuando la cuerda tensa de un arco se suelta y recupera su forma, aumenta la energía cinética de la flecha que sale disparada, y disminuye la energía potencial elástica que tenía acumulada la cuerda deformada. Cada resorte tiene una “dureza” particular que puede asociarse a un valor llamado constante elástica del resorte (k), definida como el cociente entre la fuerza aplicada sobre un resorte (F) y la deformación que produce (∆x).

La relación muestra que si la longitud de la deformación se duplica, la epe se cuadruplica.

ec

∆x = 0

el resorte pierde su deformación y no tiene energía elástica. el cuerpo se mueve y tiene energía cinética. v ∆x1

ec

epe

el resorte se vuelve a deformar, tiene energía elástica. el cuerpo se mueve y tiene energía cinética. epe

epe = 1 k . ∆x2 2

∆x

el gráfico indica la variación de la energía elástica en función de la deformación del resorte.

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Energía potencial gravitatoria Cuando un cuerpo que está en la Tierra a cierta altura se suelta, cae hacia el suelo acelerándose, debido a la atracción gravitatoria entre el cuerpo y la Tierra. A medida que disminuye la distancia entre el cuerpo y la Tierra, la energía cinética del cuerpo aumenta. A la vez, disminuye otra forma de energía, denominada energía potencial gravitatoria (Epg) del sistema (en este caso, cuerpo-Tierra). Cuanto mayor es la separación entre dos cuerpos que se atraen gravitatoriamente, mayor es la energía potencial gravitatoria del sistema. Para medir la energía potencial gravitatoria de un sistema, por ejemplo, Tierra-objeto elevado, se debe elegir una separación de referencia a la que se le asigna el valor cero de energía gravitatoria, por ejemplo, cuando el objeto está a nivel del suelo. Cuando la altura de un cuerpo respecto del suelo vale h, la energía gravitatoria del sistema es igual al producto del peso del cuerpo por la altura: Epg = peso . h De la expresión se puede verificar, que a mayor elevación y peso del cuerpo, más energía gravitatoria tiene el sistema. Además, se deduce que cuando el cuerpo está en el nivel elegido como h = 0, la energía gravitatoria del sistema, también es cero. La atracción gravitatoria actúa entre cualquier par de cuerpos del Universo; por ejem-

plo, un sistema de cuerpos celestes que se atraen mutuamente tiene energía gravitatoria; pero su intensidad es notable solo si la masa de uno de los cuerpos es muy grande. Los efectos de la atracción gravitatoria entre dos cuerpos de masa pequeña, por ejemplo, dos personas, son imperceptibles; en cambio, son muy notables entre un planeta y otro cuerpo, porque el planeta tiene mucha masa. La atracción gravitatoria entre un cuerpo y un planeta se denomina peso del cuerpo en ese planeta.

En el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra, la distancia entre los astros no cambia notablemente, pues la órbita de la Luna es prácticamente circular. Por esta razón, la energía gravitatoria del sistema Tierra-Luna tiene un valor constante. La energía del skater

Un chico quieto en el borde superior de una pista de skate se deja caer hacia la base. A medida que cae, su energía gravitatoria disminuye, y aumenta la energía cinética. Después de pasar por la base donde alcanza la máxima energía cinética, sube al otro lado de la pista. En la subida, la energía gravitatoria va aumentado, a la vez que la cinética se reduce hasta valer cero, cuando se detiene en el borde opuesto.

Cuanto más elevado está un objeto, más energía potencial gravitatoria tiene el sistema que forma con la Tierra.

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energía potencial eléctrica Un globo que se frota repetidas veces con un paño atrae cabellos o trozos de papel. Esto sucede porque el globo y los cabellos tienen carga eléctrica y, entre ellos, actúa la fuerza eléctrica. Este tipo de fuerza se manifiesta entre cualquier par de cuerpos con carga eléctrica. Si los cuerpos tienen cargas de signo opuesto, la fuerza eléctrica es atractiva, mientras que, si tienen cargas de igual signo, es repulsiva. En un sistema formado por varios cuerpos con carga eléctrica, las atracciones y las repulsiones mutuas hacen que exista la energía potencial eléctrica. Su valor depende de la cantidad de cargas y de cómo están distribuidas.

También, las pilas acumulan energía química en las sustancias que contienen. Cuando la pila se conecta apropiadamente, los átomos de estas sustancias se separan y se combinan de una manera diferente. La energía que se libera en esta transformación genera una corriente eléctrica dentro de la pila.

molécula de combustible

molécula de oxígeno

choque

energía potencial química Cualquier porción de materia está compuesta por millones de átomos. Cada átomo es una pequeñísima partícula formada por una parte central llamada núcleo, con carga eléctrica positiva; y otras partículas que lo rodean, aún más pequeñas, llamadas electrones, con carga eléctrica negativa. Los electrones se mueven a gran velocidad, pero no se alejan demasiado del núcleo debido a la intensa fuerza de atracción eléctrica que ejerce el núcleo. Dos átomos cercanos pueden experimentar una atracción eléctrica mutua, unirse y formar conjuntos pequeños llamados moléculas. También, las moléculas pueden unirse entre sí. Los seres vivos y todos los objetos están formados por una enorme cantidad de átomos y de moléculas unidos por la fuerza eléctrica. La energía potencial eléctrica de las uniones entre átomos o moléculas se denomina energía química. Cuando las uniones se rompen o se modifican, la energía química puede transformarse o transferirse y aprovecharse de muchas formas. Por ejemplo, durante la combustión, los materiales combustibles, como el gas natural o el carbón se combinan con oxígeno y liberan energía química en forma de luz y calor.

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nuevas moléculas

energía

Durante una explosión, las moléculas de combustible se combinan con el oxígeno del aire, las uniones moleculares se reorganizan y, en consecuencia, se libera energía química.

La energía de Los aLimenTos

Las células de nuestro cuerpo realizan sus funciones a partir de materia y energía, que provienen de los alimentos. Los hidratos de carbono, por ejemplo, son una fuente de energía muy importante y se encuentran en cereales, legumbres y derivados. Los lípidos, presentes en aceites y grasas, también son una fuente de energía. El trabajo físico intenso requiere una alimentación rica en hidratos de carbono. cuando estos se combinan con oxígeno, se libera energía que permite realizar movimientos y calentar el cuerpo. La energía química de estas sustancias se libera mediante una reacción química similar a la combustión, en la cual las sustancias se combinan con oxígeno y se libera energía química que puede transformarse en energía térmica. Por eso, la energía de los alimentos se puede determinar midiendo la cantidad de energía térmica que estos liberan cuando se los oxida en la combustión.

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energía radiante Las radiaciones electromagnéticas son ondas que pueden propagarse en el vacío, y que transportan energía radiante. Algunas radiaciones electromagnéticas, como la luz solar, son visibles para los humanos. Otras son invisibles, como los rayos X que se usan para hacer radiografías. Las radiaciones electromagnéticas se diferencian en la longitud de onda, esto es, la distancia entre los picos de dos crestas consecutivas. Cuanto menor es la longitud de onda, mayor es la energía de la radiación y más penetrante resulta. El espectro electromagnético es el conjunto de todas las radiaciones electromagnéticas, ordenadas según el valor de la longitud de onda. En él se pueden distinguir grupos que se utilizan como referencia, por ejemplo, las ondas de radio y los rayos gamma. Cuando la energía de las radiaciones es absorbida por un material, se pueden producir diferentes efectos, según el tipo de radiación y el material. Por ejemplo, las radiaciones infrarrojas de longitud de onda más larga, llamadas infrarrojas lejanas, producen un aumento de la temperatura del material que penetran. El calor que

sentimos del sol, del fuego o de una vereda son radiaciones infrarrojas lejanas que detectan las terminaciones nerviosas de la piel. En cambio, las radiaciones infrarrojas de longitud de onda más corta, denominadas infrarrojas cercanas, no calientan los materiales. Los rayos gamma son los de mayor energía y pueden romper las uniones de las moléculas, por eso en medicina se los utiliza para eliminar células tumorales. Finalmente, las radiaciones solares pueden producir cambios químicos en los materiales que las absorben, pues modifican las uniones de los átomos que forman el material. Por ejemplo, en el proceso de fotosíntesis, la luz absorbida aporta la energía necesaria para la síntesis de glucosa. Por eso, las radiaciones solares son indispensables para la vida en la Tierra.

Las celdas de los paneles solares fotovoltaicos están fabricadas con materiales semiconductores de la electricidad. Cuando la radiación incide en ellos, se liberan electrones y se genera una corriente eléctrica. visible

400

Tipo de radiación Longitud de onda (m)

radio 103

microondas 10-2

500

infrarrojo 10-5

600

visible 0,5 . 10-6

700

ultravioleta 10-8

rayos x 10-10

rayos gamma 10-12

átomos

núcleo atómico

escala de longitud de onda edificios

humanos

mariposas

punta de aguja protozoos

moléculas

espectro electromagnético.

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energía de masa en reposo La materia puede existir en reposo, la radiación, no. La materia en reposo tiene masa. A pesar de estas diferencias, la materia y la radiación son equivalentes y una puede dar origen a la otra. Una cantidad muy pequeña de masa en reposo (m) equivale a una cantidad inmensa de energía radiante (E). La relación entre estas cantidades se expresa en una famosa ecuación deducida por el físico alemán Albert Einstein (1879-1955): E = m . c2 donde c es la rapidez de la luz en el vacío, que es 300 000 km/s. Si se tiene en cuenta este factor, es fácil comprobar, que de una cantidad muy pequeña de masa en reposo, resulta una cantidad enorme de energía radiante.

energía potencial nuclear En las reacciones nucleares en cadena, como las que ocurren en las estrellas y en los reactores nucleares, y que estudiaremos en detalle en el Capítulo 3, una pequeña parte de la masa de todos los núcleos atómicos que reaccionan se transforma en una enorme cantidad de energía radiante. Los núcleos de los átomos están formados por partículas llamadas nucleones. EsaLBerT einsTein Albert Einstein fue un brillante físico cuyas teorías cambiaron para siempre las ideas sobre el Universo. Realizó contribuciones en las más diversas áreas de la física, pero la más famosa fue su Teoría de la Relatividad Especial (1905), que incluía la predicción teórica de equivalencia entre la masa y la energía. La teoría se funda en el hecho de que nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío. Esta velocidad máxima, 300 000 km/s, no puede ser alcanzada por nada que tenga masa; solo las radiaciones se pueden propagar igual de rápido.

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tos pueden ser de dos tipos: los protones, con carga eléctrica positiva, y los neutrones, sin carga eléctrica. La fuerza eléctrica repulsiva entre protones haría que el núcleo se desintegre, pero esto no ocurre porque entre los nucleones existe un tipo de fuerza atractiva, mucho más intensa que la fuerza eléctrica: la fuerza nuclear fuerte. Debido a esta fuerza, existe la energía potencial nuclear. Las uniones entre los nucleones pueden modificarse, por ejemplo, cuando un núcleo se divide en fragmentos menores (fisión nuclear) o cuando dos núcleos se unen y forman otro mayor (fusión nuclear). En estos procesos, se libera energía potencial nuclear en cantidad suficiente para hacer que la masa se transforme en energía radiante. El núcleo de un átomo puede imaginarse como un resorte fuertemente comprimido (que representa la repulsión eléctrica entre los protones), asegurado por una cuerda gruesa (que representa la fuerza nuclear fuerte). Esta cuerda gruesa se rompe ante el mínimo estiramiento, porque la fuerza nuclear fuerte desaparece apenas se separan los nucleones. Es decir, el resorte no puede liberar la energía elástica porque la cuerda lo sujeta fuertemente, pero si el sistema se deforma y la cuerda se estira, aunque sea mínimamente, se rompe y se libera la energía elástica del resorte. Hay núcleos inestables que al deformarse levemente, se desintegran y al liberarse la energía de las uniones nucleares, parte de la masa de los nucleones se transforma en energía radiante. La emisión de energía por parte de un núcleo se llama radiactividad.

el núcleo de un átomo puede representarse como un resorte comprimido sujetado por una cuerda.

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Energía térmica La energía que interviene en procesos en los que se producen cambios de temperatura suele llamarse energía térmica. Si la temperatura de un cuerpo aumenta, es porque absorbe energía, y si su temperatura disminuye, es porque el cuerpo pierde energía. Los físicos saben que la energía térmica es energía cinética o potencial de los átomos que forman un cuerpo. Sin embargo, por practicidad, utilizan el término cuando su objetivo es estudiar los efectos macroscópicos del intercambio de energía, como el cambio en la temperatura del sistema. La llama de una hornalla libera energía térmica que produce un aumento de temperatura del agua y una disminución de la temperatura de la llama.

Clasificación tecnológica de la energía Los humanos han construido una gran variedad de dispositivos tecnológicos que transforman energía para aprovecharla en diversas aplicaciones. Un sistema que provee energía para que funcione un dispositivo se denomina, genéricamente, fuente de energía. Por ejemplo, el viento es la fuente de energía de un molino. La energía cinética del viento se transfiere a la rueda del molino y, mediante mecanismos de ruedas, ejes y engranajes, la rueda se conecta a una bomba que eleva agua a un tanque. Fuerza y energía

La acción de una fuerza puede modificar la energía cinética de un cuerpo que se desplaza. Por ejemplo, si una persona empuja un carrito apoyado en una superficie lisa, la energía del carrito aumenta a medida que avanza. Aunque la intensidad de la fuerza sea constante, el aumento de energía cinética será mayor cuanto más recorra el carrito bajo su acción. Por eso, la fuerza y la energía no son sinónimos.

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Así, la energía cinética del viento se transforma en energía gravitatoria del agua elevada. Las fuentes de energía pueden ser renovables y no renovables. Las fuentes de energía renovable, como el Sol, ofrecen cantidades de energía tan grandes que tardarían millones de años en agotarse. Las fuentes no renovables, en cambio, se agotan al cabo de un tiempo, pues se encuentran en la naturaleza en una cantidad limitada y su velocidad de consumo es infinitamente mayor a la velocidad con la que se forman. Por ejemplo: petróleo, gas y carbón.

Fuente

Tipo

de energía renovable

de energía

Radiación solar

Solar

Vientos Mareas Olas Corrientes de agua Calor del interior de la Tierra Materia orgánica

Eólica Mareomotriz Undimotriz Hídrica Geotérmica Biomasa

Las unidades de energía El Sistema Internacional de Unidades, adoptado por la mayoría de los países del mundo, elige un conjunto de unidades básicas. Por ejemplo, la masa de los cuerpos se mide en kilogramos (kg); las longitudes, en metros (m); y los tiempos, en segundos (s). Veamos las unidades de energía cinética que se utilizan de acuerdo con este sistema. En la página 16, se definió la energía cinética como: Ec = 1 m . v2 2

Por lo tanto, las unidades son: kg . (m/s)2 = kg . m2/s2 Esta unidad recibe el nombre de joule y se representa con la letra J. Por ejemplo, un auto de masa 1000 kg que se desplaza a 20 m/s, tiene una energía cinética: Ec = 1 . 1000 kg . (20 m/s)2 = 200 000 J 2

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Toda forma de energía se puede medir en joules. Por ejemplo, para la energía gravitatoria: Epg = peso . h = m . g . h (donde g es la aceleración de la gravedad) kg . m/s2 . m = kg . m2/s2 = J La primera unidad de energía que se utilizó fue la caloría (cal), definida como la cantidad de energía necesaria para aumentar en 1 ºC la temperatura de 1 g de agua pura. En el año 1842, el físico inglés James P. Joule (1818-1889) determinó experimentalmente la equivalencia del valor de una caloría en joules, y encontró que: 1 cal = 4,186 J El joule y la caloría representan cantidades pequeñas de energía. Por eso, para el consumo energético a gran escala suelen usarse otras unidades, como el kilowatt-hora (kWh), igual a 3,6 millones de joules (1 kWh = 3,6 . 106 J). Conociendo las equivalencias entre las diferentes unidades de energía, se puede transformar una cantidad de energía de una unidad a otra. Veamos un ejemplo.

nombre

uSada

La combustión de un litro de nafta libera 10 000 kcal. Si toda esa energía se transfiere al movimiento de un auto de 1000 kg, ¿qué velocidad alcanzará el auto? Dato: 1 kcal = 1 000 cal

Si las 10 000 kcal se transforman en energía cinética del auto: 1 1 000 kg . v2 = 10 000 kcal 2 v2 = 20 kcal/kg Para despejar el valor de v en m/s, se deben expresar las kilocalorías en joules. Si 1 kcal = 1 000 cal = 4 186 J, entonces: v2 = 20 . 4 186 J/kg v = 83 720 m2/s2 v = 289 m/s Este valor equivale a unos 1041 km/h, y supera la velocidad que puede alcanzar un auto. La diferencia se debe a que la mayor parte de la energía química que se libera en un motor se pierde en forma de energía térmica.

en

Caloría (cal)

Unidad básica del Sistema Internacional de Unidades Intercambios de energía térmica

Caloría alimentaria (Cal)

Contenido energético de alimentos

Joule (J)

Unidad térmica británica (Btu)

Usos tecnológicos de la energía

Tecnología eléctrica

Kilowatt-hora (kWh) Tonelada equivalente de carbón (tec) Tonelada equivalente de petróleo (tep)

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Combustibles fósiles

Combustibles fósiles

deFiniciÓn

eQuivalencia

en

J

1 J = 1 kg · m2/s2 Cantidad de energía que 1 g de agua debe intercambiar para que su temperatura cambie 1 ºC 1 Cal = 1000 cal = 1 kcal

1 cal = 4,186 J

Cantidad de energía que 1 libra de agua pura debe absorber para que su temperatura aumente 1°F Cantidad de energía consumida por un dispositivo de 1000 W al funcionar durante 1 hora Energía liberada por la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla) Energía liberada por la combustión de 1 tonelada de crudo de petróleo

1 Btu = 1 054,872 J

1 Cal = 4 186 J

1 kWh = 3,6 · 106 J

1 tec = 29,3 · 109 J

1 tep = 4,2 · 1010 J

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Órdenes de magnitud En la enorme diversidad de procesos que ocurren en el Universo, se intercambian cantidades de energía muy diferentes. Algunas de ellas se muestran en la tabla de la derecha. Resulta interesante comparar algunos de estos valores: • Para elevar el agua de una casa al tanque, alcanza con la energía de tres pilas comunes. • La energía de una batería eléctrica es igual a la de una persona que se encuentra a una altura igual a la mitad del cerro Aconcagua. • Si toda la energía del metabolismo de alimentos se usara en los movimientos voluntarios, un deportista que come 1 g de grasa llegaría a dar unas 200 patadas. • En un día, un adulto consume la energía de medio vaso de nafta (150 ml). • En la bomba de hidrógeno unos 30 g de materia se convierten en energía. • Manteniendo el consumo actual, América del Norte agotaría las reservas mundiales de petróleo en 75 años. Sudamérica lo haría en 1 000 años. • La energía solar recibida por la Tierra en 1 día equivale a 2143 veces el consumo de energía actual de Sudamérica en un año.

actividades 1. Analicen las siguientes situaciones con los valores de la tabla. a. Estimen los valores de masa y rapidez de una persona y calculen la energía cinética resultante. ¿A qué se debe la diferencia con el valor de la tabla? b. Si concentraran la radiación solar sobre una superficie de 1 m2 en un tanque con 100 kg de agua, durante una hora, ¿cuántos grados aumentaría la temperatura del agua? c. ¿Cuál es la masa supuesta en la tabla para una persona situada en la cima del Aconcagua?

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Sistema / Proceso Energía cinética media de una molécula a temperatura ambiente (300 K) Ruptura de un enlace químico de alta energía Separación de un electrón de su átomo Energía de masa de un electrón Energía de masa de un protón Mosca volando Caloría Persona caminando Patada de un deportista Radiación solar que llega a 1 m2 de la superficie terrestre en 1 s Pila común de 1,5 V Energía cinética para correr 100 m Metabolismo de 1 g de grasa Tanque con 1000 l de agua a 5 m de altura Batería de auto 1 kWh Persona en la cima del Aconcagua Valor nutricional diario adulto Combustión de 1 l de nafta Barril de petróleo Energía de masa de 1 g de materia Bomba nuclear de hidrógeno Energía de masa de 1 kg de materia Consumo anual de energía en Sudamérica Consumo anual de energía en Norteamérica Energía solar recibida por la Tierra en 1 h Reservas mundiales de petróleo Energía solar recibida por la Tierra en 1 día Energía liberada por el Sol en 1 s Energía cinética de la Tierra en su órbita

Cantidad

de

energía

4,37 . 10-21 J 5 . 10-20 J 3 . 10-18 J 5 . 10-14 J 1,5 . 10-10 J 2 . 10-1 J 4,18 J 5 . 101 J 2 . 102 J 1,4 . 103 J 2 . 103 J 4 . 103 J 3,8 . 104 J 5 . 104 J 3 . 106 J 3,6 . 106 J 6 . 106 J 7 . 106 J 5 . 107 J 6 . 109 J 9 . 1013 J 3 . 1015 J 9 . 1016 J 7 . 1018 J 1 . 1020 J 6,2 . 1020 J 7,4 . 1021 J 1,5 . 1022 J 4 . 1026 J 2,7 . 1033 J

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equilibrio y energía En física, el concepto de equilibrio se utiliza para referirse a aquellos estados de un sistema que no se modifican. Por ejemplo, una bolita quieta, apoyada en la base de un tazón, es un estado de equilibrio. Si por una influencia externa la bolita se aparta de esa posición y es llevada a una altura mayor, se encontrará en un estado fuera del equilibrio, porque la fuerza de gravedad hará que vuelva a caer hacia la posición de equilibrio. Durante la caída, la energía potencial gravitatoria de la bolita disminuye y la energía cinética aumenta. Tras varias oscilaciones, debido a la fuerza de rozamiento, la bolita queda en el fondo del tazón, en la posición de mínima energía potencial. La energía potencial gravitatoria que tenía la bolita elevada por acción del rozamiento, se transforma en energía térmica. Así, se eleva la temperatura de la bolita y la del tazón. Pero esta no es una situación de equilibrio, pues la temperatura del sistema en contacto con el aire disminuye hasta que alcanza el mismo valor en todos los puntos. Recién en ese momento se vuelve al estado de equilibrio. Este ejemplo muestra un concepto que retomaremos en el Capítulo 3: durante la evolución de los sistemas físicos, en general, se tiende a pasar por estados de menor energía potencial. Cuando esta disminuye, se adquiere energía cinética que se intercambia con otros sistemas.

equilibrio (mínima energía potencial)

Algunos estados de equilibrio son estables, como el de la bolita quieta en el fondo del tazón. Pero, si la bolita se apoyara más arriba y, con un pegamento débil se evitara su caída, quedaría en una situación de equilibrio inestable. Cualquier perturbación externa, como una vibración de la mesa, liberaría a la bolita y esta se apartaría de la posición original. Si entonces se inicia un proceso de intercambio de energía entre la bolita y otro sistema, como el producido por la fuerza de rozamiento, la bolita alcanzará un estado de equilibrio estable, diferente del estado de equilibrio inestable. Entonces, para que un sistema físico alcance un estado de equilibrio estable debe intercambiar energía o materia con otros sistemas. eQUiLiBrio dinÁmico y eQUiLiBrio esTÁTico

Decimos que un sistema está en equilibrio cuando percibimos que no cambia. Por ejemplo, la cantidad de personas en una pizzería que no se modifica en el tiempo, se mantiene estable. Esto puede deberse a dos razones. La primera, no entran ni salen personas de la pizzería: se trata de un equilibrio estático. La segunda, la cantidad de personas que entran es la misma que las que salen de la pizzería. Hay un flujo de personas que entran y salen, pero no se modifica el número de las que están dentro del local: se trata de un equilibrio dinámico. Por lo tanto, un equilibrio es dinámico cuando hay dos procesos opuestos que se producen con la misma rapidez e intensidad, de manera que no se percibe un cambio observable.

desequilibrio (mayor energía potencial que en el equilibrio)

situación de equilibrio y desequilibrio.

energía térmica

desequilibrio (mayor energía potencial que en el equilibrio)

evolución (disminuye la energía potencial y aumenta la energía cinética)

debido al intercambio de energía con el ambiente se alcanza el estado de equilibrio

situación de desequilibrio y evolución.

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Potencia La potencia (P) es una magnitud que mide la tasa de transferencia de energía de un proceso. Se define como el cociente entre la cantidad de energía transferida (E) y el tiempo transcurrido en el proceso (t): P = E/t En general, la unidad de potencia que se utiliza es el Watt (W), definida como: 1 W = 1 J/s Por ejemplo, una lamparita de 50 W de potencia consume 50 J de energía por cada segundo que funciona. La cantidad de energía que consume un aparato (E) depende del tiempo durante el que funcione y de su potencia, y se expresa como: E = P.t Por ejemplo, la energía que consume un motor de potencia 750 W durante 1 h (3600 s) es: E = 750 J/s . 3600 s = 2 700 000 J Para evitar cifras muy grandes, el consumo domiciliario de energía eléctrica de los aparatos electrodomésticos e industriales y de los vehículos de transporte, suele expresarse en kilowatt-hora (kWh): 1 kWh = 1 000 w . 1 h = 1 000 J/s . 3600 s = 3 600 000 J En estas unidades, el consumo del motor del ejemplo anterior resulta: E = 0,75 kW . 1 h = 0,75 kWh Muchas veces, suelen confundirse las unidades de energía con las de potencia. Por ejemplo, si en un anuncio de venta dice que una estufa es de 3000 kcal, en realidad, significa que libera esa cantidad de energía en una hora (aunque no se aclare). Lo correcto es decir que la potencia de la estufa es de 3000 kcal/h. El nombre de la unidad de potencia Watt

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se debe al ingeniero escocés James Watt (1736-1819). En los estudios que realizó sobre la máquina de vapor, Watt, utilizó una unidad de potencia que resultaba familiar en su época: la potencia de un caballo (hp, en inglés, horse power). Sucede que él vivía en Inglaterra, donde el sistema de unidades no era el internacional. Esta unidad se traduce como caballo de fuerza, nombre que puede dar lugar a malentendidos, porque se trata de una unidad de potencia equivalente a 745,7 W. Otra unidad de potencia es el caballo vapor (CV), de valor casi igual al hp: 1 CV = 0,986 hp La potencia de los motores de los autos suele expresarse en CV. Típicamente, un auto pequeño actual tiene un motor de unos 100 CV. En el siguiente ejemplo se muestra cómo puede calcularse la potencia.

PROBLEMAS Y UNIDADES 1. Una persona de 60 kg sube las escaleras de un edificio hasta 34 m de altura durante 5 minutos. ¿Qué potencia promedio desarrolló? Expresen el resultado en kW y en hp.

Para calcular la potencia hay que conocer cuánto cambió la energía de la persona en todo el proceso y dividir este valor por el tiempo transcurrido. Si solo se considera el cambio de energía gravitatoria de la persona cuando se eleva, y se desprecia la energía térmica liberada durante el ejercicio, se tiene que: E = m . g . h = 60 kg . 10 m/s2 . 34 m = 20 400 J Entonces, la potencia resulta: P = E/t = 20 400 J / 5 min = 20 400 J / 300 s = 68 W Si 1 hp = 745,7 W, entonces: P = 0,091 hp

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PROPUESTA DE AcTiviDADES

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1. Para cada uno de los procesos de la lista expli-

quen: qué sistemas intercambian energía y cuáles son las transformaciones de energía que ocurren. Traten de identificar cuál de los sistemas recibe energía y cuál la cede, qué forma de energía aumenta y cuál disminuye. discutan las ideas entre ustedes. a. Una bocha de bowling que desparrama los bolos. b. Un hielo que se derrite al rayo del sol. c. Un arco estirado que dispara una flecha . d. El follaje de un árbol aumenta con los días. e. Un meteorito cae hacia la Tierra. f. Un resorte frena un ascensor.

2. con una bandita elástica, una bolita se dispara hacia arriba de una rampa:

a

b

a. ¿cuál de los estados representados tiene más energía potencial? b. ¿cuál es un estado más estable? 5. Una moneda se desliza con velocidad sobre

una mesa y choca con otra moneda igual. La primera moneda se detiene y la segunda empieza a moverse. a. ¿Podría moverse la segunda moneda con más rapidez que la primera? Discutan en clase sus argumentos usando el concepto de energía.

6. Un auto pasa por el punto a moviéndose y

apaga el motor. al llegar al punto B, que está a menor altura que a, comprime un resorte hasta detenerse. v

a. Analicen las formas de energía antes de que la bolita salga disparada, a mitad de camino y en la altura máxima. 3. Las imágenes muestran cuatro estados posi-

bles de una escalera.

a

B

c

d

a. Distingan cuáles son estables y cuáles no. b. Para los inestables, expliquen a qué estado de equilibrio tienen tendencia a evolucionar. c. ¿Qué tipo de energía potencial se hace mínima en el estado de equilibrio estable? d. Expliquen las transformaciones de energía producidas desde que la escalera pasa de un estado inestable que elijan y queda en equilibrio en el más estable de los cuatro. 4. Las imágenes muestran dos tipos de partícu-

las formando un grupo. Las verdes se repelen entre sí, y las amarillas no ejercen fuerza con otras partículas.

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a ha

B hB

a. Expliquen las transformaciones de energía que ocurren desde que el auto pasa por A hasta que es frenado completamente por el resorte. b. Imaginen que el punto B es el final de una pista donde se desea detener los autos. Tienen que elegir qué resorte instalar: uno muy duro, que se comprima menos; o uno muy blando, que se comprima más. ¿Qué valor tendría la constante elástica k del resorte elegido? Discutan sobre cómo harían para dar una respuesta conveniente. c. ¿Qué cambiaría en todo el proceso si el auto fuera más despacio? d. consideren el siguiente caso par ticular : m = 1000 kg, hA = 10 m, hB = 8 m, v = 14 m/s (que equivale a 50 km/h aproximadamente). ¿cuánto debe valer la constante del resorte para frenar al auto comprimiéndose tan solo 30 cm? Expliquen qué significa el valor que dedujeron.

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PROPUESTA DE Actividades El descubrimiento de la antimateria • Lean el siguiente texto:

Hacia el año 1928, todavía no se habían descubierto los neutrones, y se pensaba que los átomos estaban compuestos por protones y electrones. Estas, además de los “paquetes” de energía electromagnética radiante, llamados fotones, eran las únicas partículas conocidas. Ese año, el joven físico británico Paul Dirac (1902-1984) publicó el artículo La teoría relativista del electrón, en el cual se exponían los resultados de sus investigaciones acerca de dos teorías físicas: la Teoría de la Relatividad Especial y la Mecánica Cuántica. La primera había mostrado que, a velocidades muy altas, la materia se comporta de manera muy diferente a la que estamos acostumbrados. Por ejemplo, predice que la masa puede transformarse completamente en energía radiante. La segunda podía explicar el comportamiento de sistemas muy pequeños, de tamaños atómicos o subatómicos. Entre sus postulados, esta teoría asumía que la energía de las radiaciones y de sistemas de partículas interactuantes, como los átomos, los núcleos atómicos o los cristales, no puede modificarse de manera continua, sino de a saltos, pasando de un determinado valor a otro, de manera discontinua. Los cuantos de energía son los “paquetes” mínimos de energía que puede intercambiar el sistema. El electrón es un sistema pequeño y puede moverse a velocidades cercanas a la de la luz, y por eso, debía ser considerado bajo la óptica de las dos nuevas teorías. Así, Dirac buscó una ecuación que explicara el comportamiento de los electrones. Encontró una que cumplía todos los requerimientos teóricos, pero cuyas soluciones, además de los electrones, incluían otros resultados completamente inesperados, que no se supo bien cómo interpretar. Algunos físicos proponían descartar los resultados inesperados, pero esto implicaba un serio quebranto en toda la teoría. Tras dos años de trabajo, Dirac propuso una revolucionaria interpretación: existen otras partículas, los antielectrones, que tienen la misma masa que los electrones pero tienen carga eléctrica opuesta. La interacción entre el electrón y el antielectrón puede hacer que se aniquilen, transformándose completamente en radiación. Esta interpretación podría haber quedado como una simple fantasía si no hubiera sido por otro trabajo de investigación realizado por Carl Anderson (1905-1991), en California, Estados Unidos. Este joven físico investigaba los rayos cósmicos, unas partículas con muy alta energía cinética que penetran las altas capas de la atmósfera, probablemente emitidas en explosiones estelares. Las trayectorias de estas partículas podían ser observadas en detectores llamados cámaras de niebla. En estos detectores, las partículas cargadas dejan la huella de su trayectoria, que puede ser fotografiada. Anderson situaba la cámara entre los polos de un potente imán que desviaba las partículas, hacia un lado u otro según el signo de su carga. Las fotografías resultantes sorprendieron a Anderson: los rayos cósmicos habían producido trayectorias de partículas con carga positiva y negativa. Las positivas no

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PROPUESTA DE AcTiviDADES podían ser protones, porque dejaban una trayectoria demasiado larga para serlo. Anderson especuló que, tal vez, fueran electrones viajando en la dirección opuesta. Para comprobar la hipótesis, colocó una placa de plomo en la cámara. Cuando las partículas pasaran a través de la placa, emergerían al otro lado con una energía menor, y su trayectoria se curvaría más, lo que permitiría deducir la dirección en que se movían. En agosto de 1932, Anderson registró la fotografía histórica de un electrón cargado positivamente que atraviesa la placa de plomo en la cámara de niebla. Pese al escepticismo inicial de la comunidad científica, el resultado de Anderson fue confirmado al año siguiente y los científicos se convencieron de la existencia del antielectrón (al que Anderson bautizó positrón), producido siempre junto con un electrón en la conversión de radiación gamma en materia. El descubrimiento confirmó las predicciones de Dirac y le valió a Anderson el Premio Nobel de Física, en 1936, a la edad de 31 años.

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placa de plomo

trayectoria

Imagen de la cámara de niebla de anderson que muestra por primera vez la existencia del antielectrón. La partícula entra por la parte inferior, golpea la placa de plomo y pierde energía, como puede notarse en la curvatura mayor de la parte superior de la trayectoria.

En 1955 se descubrieron los antiprotones y, al año siguiente, los antineutrones. En la actualidad, se ha confirmado que todas las partículas subatómicas tienen sus antipartículas gemelas, pero debido a una razón aún desconocida, la antimateria desaparece muy rápido en nuestro mundo, aniquilándose con la materia. Si el Universo comenzó en una explosión de rayos gamma, de los que fueron emergiendo en pares las partículas y antipartículas, todavía queda sin responder por qué en nuestro mundo hay mucha más materia que antimateria. • resuelvan las siguientes consignas:

1. Relean el texto y expliquen la siguiente afirmación: “La relación E = m . c2 expresa que la masa es una forma de energía y, por lo tanto, es posible transformarla en otra forma de energía”. 2. Para producir un par protón-antiprotón deben colisionar dos rayos gamma que tengan más energía que la necesaria para producir un par electrón-positrón. ¿Qué relación tiene este hecho con que el valor de la masa del protón es unas 1800 veinvesTigar y eXPoner ces la del electrón? 3. Paul Dirac dijo: “En ciencia uno intenta decir, en • La aniquilación de positrones con electrouna manera en que todos lo puedan entender, nes se utiliza en una técnica llamada Tomoalgo que nunca nadie supo antes. La poesía es grafía de emisión de Positrones (TEP), para exactamente lo contrario”. ¿Están de acuerdo obtener imágenes del funcionamiento de los con él? Debatan entre ustedes cuál es, según órganos del cuerpo humano. su opinión, el objetivo de la ciencia y cuál el a. Investiguen en qué consiste la técnica y de la poesía. redacten un informe sobre el tema. b. Expongan oralmente en clase los fundamentos físicos y las aplicaciones de esta técnica. Incluyan en la explicación la reacción: e- + e+ → γ + γ

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Física La energía

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| Federico Taddei | Cecilia Sobico | Raúl Righini | | Coordinación: Federico Taddei |

Cód. 19232 ISBN 978-950-01-1354-0

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