Energía, Trabajo y Calor: Conceptos y Aplicaciones

Conceptos Fundamentales de Energía

La energía se define como la capacidad de un sistema material para producir cambios, ya sea en otro sistema o en sí mismo. Un sistema material es cualquier forma de materia con límites, que pueden ser imprecisos (por su naturaleza o extensión) o definidos, en cuyo caso se denominan cuerpos. La energía se transfiere de un sistema a otro de las siguientes maneras:

• Mediante calor: Ocurre cuando dos sistemas materiales que interactúan están a diferentes temperaturas.
• Mediante trabajo: Se produce cuando un sistema material interactúa con otro mediante la aplicación de una fuerza.

La energía es, por lo tanto, la capacidad de un sistema físico para producir trabajo o transferir calor. Un principio fundamental es que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Sin embargo, la energía se degrada porque no todas las formas de energía son igualmente útiles para producir trabajo.

Fuentes de Energía

Las fuentes de energía son los recursos o materias primas que utilizamos para obtener energía primaria. La energía primaria es aquella disponible en la naturaleza antes de ser convertida en otras formas, principalmente térmica (calorífica) y eléctrica. Estas fuentes se clasifican en:

• Fuentes de energía no renovables: Existen en cantidades limitadas o se consumen a un ritmo mayor al de su regeneración natural.
• Fuentes de energía renovables: Se encuentran en cantidades ilimitadas o su ritmo de consumo es menor que su tasa de renovación.

Las energías renovables se caracterizan, en general, por ser energías limpias, no generar residuos tóxicos y ser prácticamente inagotables.

Trabajo, Potencia y Máquinas

El trabajo es un mecanismo de transferencia de energía que implica el uso de una fuerza que provoca un desplazamiento. Si no hay desplazamiento, no hay trabajo, y se denomina esfuerzo. Un julio (J) es el trabajo realizado por una fuerza de un newton (N) cuando su punto de aplicación se desplaza un metro en la misma dirección y sentido de la fuerza. Por lo tanto: 1J = 1N * 1m.

La potencia (P) se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo, es decir, la relación entre el trabajo realizado y el tiempo empleado. Un vatio (W) es la potencia necesaria para realizar un trabajo de un julio en un segundo.

Una máquina es un dispositivo diseñado para modificar el efecto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo, permitiendo mover cargas con el menor trabajo posible.

Tipos de Energía

• Energía cinética: Energía que posee un cuerpo o sistema material debido a su movimiento.
• Energía potencial mecánica: Energía que posee un cuerpo debido a su posición en el espacio.
• Energía potencial gravitatoria: Energía que tiene un cuerpo debido a su posición respecto a la superficie de la Tierra.
• Energía térmica: Energía que posee un cuerpo debido al movimiento desordenado interno de sus partículas.

Calor y Termodinámica

La temperatura indica el nivel térmico de un cuerpo. Cuando dos cuerpos a diferente temperatura entran en contacto, se produce una transferencia de energía térmica del cuerpo más caliente al más frío.

El calor es la energía térmica que se transfiere de forma natural o espontánea entre dos cuerpos a diferente temperatura. El calor específico (c) de una sustancia pura es la cantidad de calor que debe intercambiar la unidad de masa de esa sustancia para que su temperatura varíe un kelvin (K).

La dilatación térmica es el aumento en las dimensiones de un cuerpo o sistema material cuando se eleva su temperatura. Afecta a todos los estados de agregación de la materia. Durante un cambio de estado, la temperatura permanece constante; todo el calor intercambiado se invierte en dicho cambio. El calor latente de cambio de estado (L) es la energía térmica que intercambia 1 kg de sustancia pura para cambiar de estado, a una presión determinada.

Máquinas Térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que produce trabajo mecánico a partir de la energía térmica suministrada por un combustible (carbón, madera, etc.) al quemarse. El rendimiento (η) de una máquina térmica es el cociente entre el trabajo mecánico producido (W) y el calor suministrado por el foco caliente (Q).

W = Trabajo

Si la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo: