Energía, Calor y Trabajo en Física: Conceptos Fundamentales y Fórmulas Clave

Energía, Calor y Trabajo

Introducción a la Energía

La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para producir una transformación en sí mismo o en otro cuerpo. Es una magnitud escalar y se mide en Julios (J).

Energía Cinética

La energía cinética es la energía que poseen los cuerpos debido a su movimiento. Es directamente proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad.

Energía Potencial

La energía potencial es la que poseen los cuerpos debido a su posición.

Energía Potencial Gravitatoria

Es directamente proporcional a la masa del cuerpo y a su altura.

Energía Mecánica

La energía mecánica es la suma de la energía cinética y potencial.

Principio de Conservación de la Energía Mecánica

Si sobre un cuerpo actúa la fuerza del peso y no existe rozamiento, la energía mecánica se conserva. La energía mecánica tiene el mismo valor en el punto inicial y final de un sistema.

Formas de Intercambio de Energía

• Trabajo: Cuando existe una fuerza que produce desplazamiento.
• Calor: Cuando hay cuerpos en contacto que están a distinta temperatura.

Trabajo

El trabajo es una magnitud escalar que viene dada por el producto de la fuerza aplicada y el desplazamiento. Sólo realiza trabajo la componente de la fuerza que actúa en la dirección del movimiento. Su magnitud en el S.I es el Julio (J).

Potencia y Calor

Potencia

La potencia es la energía transferida por unidad de tiempo, ya sea en forma de trabajo o de calor.

Energía Térmica

Calor y temperatura son conceptos diferentes:

• Temperatura: Es una magnitud que está relacionada con el movimiento de las partículas. Es proporcional a la energía cinética media de las mismas. Su unidad en el Sistema Internacional (S.I) es el grado Kelvin (K). T(K) = 273 + T(°C)
• Calor: Es una forma de energía que solo aparece cuando fluye de los cuerpos de más temperatura hacia los de menos temperatura, hasta alcanzar el equilibrio térmico. Su unidad en el S.I es el Julio (J), aunque también se utiliza la caloría (cal) (no perteneciente al S.I). 1 cal = 4,18 J

Propagación del Calor

El calor se puede propagar de 3 formas:

• Conducción: Lo hace cuando el calor se transmite entre sólidos (hay cuerpos conductores del calor como los metales y cuerpos aislantes como el plástico).
• Convección: Se produce en los casos de fluidos.
• Radiación: Se produce por ondas electromagnéticas, por lo tanto, se da sobre todo en el vacío y en el aire.

Efectos del Calor

El calor aplicado a los cuerpos puede producir 3 tipos de efectos:

• Variación de temperatura: Este calor se puede calcular porque es directamente proporcional a la masa del cuerpo y a la variación de temperatura. La constante de proporcionalidad se llama calor específico y es el calor necesario para subir la temperatura de 1 kg de una sustancia en 1 grado Celsius.
• Cambios de estado: Cuando un cuerpo cambia de estado, el calor aportado no se emplea en subir la temperatura, sino en romper las fuerzas entre las partículas, por eso la temperatura permanece constante.

Fórmulas Clave

Fórmulas (Calor)

• Transmisión del calor: Q_cedido + Q_absorbido = 0
• Variación de temperatura: Q = m ⋅ Ce ⋅ ΔT ; Q: calor, m: masa, Ce: calor específico, ΔT: variación de temperatura
• Cambio de estado: Q = m ⋅ L ; Q: calor, m: masa, L: calor latente

Fórmulas (Energía y Trabajo)

• Energía cinética: Ec = 1/2 ⋅ m ⋅ v²
• Energía potencial: Ep = m ⋅ g ⋅ h
• Energía mecánica: Em = Ec + Ep
• Principio de Conservación de la Energía Mecánica (sin rozamiento): Em(1) = Em(2) = cte
• Principio de Conservación de la Energía Mecánica (con fuerza de rozamiento): W(Fr) = Em(2) - Em(1)
• Trabajo: W = f ⋅ d ⋅ cos(α)
• Potencia: P = W / t = vatios (W)
• Caballo de vapor: 1 CV = 735 W