Fundamentos de Energía y Termodinámica: Conceptos y Cálculos
Concepto de Energía
La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para producir calor o realizar un trabajo.
- Unidad de energía: Julios (J).
- Equivalencias: 1 J = 0.24 cal | 1 cal = 4.18 J.
Energía Térmica y Temperatura
La energía térmica (o calorífica) depende de la temperatura de los cuerpos y se transfiere desde el cuerpo más caliente al más frío.
Conversión de escalas de temperatura
- Kelvin (K): °K = °C + 273 (Ejemplo: 5°C + 273 = 278 K)
- Fahrenheit (°F): °F = (9/5) * °C + 32 (Ejemplo: 1.8 * 5 + 32 = 41 °F)
- Celsius (°C): °C = 5/9 * (°F - 32)
Energía Eléctrica y Electromagnetismo
La energía eléctrica está asociada a la corriente eléctrica (cargas en movimiento, principalmente electrones).
Componentes atómicos y eléctricos
- Protones (P+): Carga positiva.
- Neutrones (N): Carga neutra.
- Electrones (e-): Carga negativa, responsables del movimiento eléctrico.
Leyes de la electricidad
- Voltaje (V): V = I * R (Voltios)
- Resistencia (R): R = V / I (Ohmios)
- Intensidad (I): I = V / R (Amperios)
Tipos de Energía
- Energía mecánica: Capacidad de generar movimiento.
- Energía nuclear: Producida por cambios en el núcleo del átomo (fusión o fisión).
- Energía electromagnética: Basada en la interacción de polos (polos opuestos se atraen, polos iguales se repelen).
- Energía del sonido: Producida por ondas sonoras y vibraciones.
- Energía en los seres vivos: Transformación de nutrientes en energía mecánica, térmica y eléctrica (impulsos nerviosos).
Ley de Conservación de la Energía
La energía, al igual que la materia, no se crea ni se destruye, solo se transforma.
Ejercicios Prácticos
Conversiones de temperatura
- Convertir 29°C a Kelvin y Fahrenheit:
- K = 29 + 273 = 302 K
- F = 1.8 * 29 + 32 = 84.2 °F
- Temperatura del cuerpo humano (36°C) en Fahrenheit:
- F = 1.8 * 36 + 32 = 96.8 °F
Energía Potencial (Ep)
Es la energía que poseen los objetos debido a su altura: Ep = m * g * h
- m: Masa en kilogramos (kg).
- g: Gravedad (9.8 m/s²).
- h: Altura en metros (m).
Ejemplo: Calcula la energía potencial de un objeto de 30 kg a 10 metros de altura:
Ep = 30 * 9.8 * 10 = 2940 J = 2.94 kJ
Energía Cinética (Ec)
Es la energía que poseen los cuerpos en movimiento: Ec = 0.5 * m * v²
- m: Masa en kilogramos (kg).
- v: Velocidad en m/s.
Ejemplo: Calcula la energía cinética de una pelota de 125 g (0.125 kg) a 20 m/s:
Ec = 0.5 * 0.125 * (20)² = 0.5 * 0.125 * 400 = 25 J