Fundamentos de Energía, Trabajo y Termodinámica en Física

Conceptos Fundamentales de Energía

La energía es la magnitud física por la que los cuerpos tienen capacidad para realizar transformaciones en ellos mismos o en otros cuerpos. Se mide en Julios (J).

Propiedades de la Energía

Las propiedades de la energía son fundamentales en nuestra civilización:

• La energía puede transformarse de unas formas a otras.
• Puede transferirse de unos sistemas a otros.
• Se mantiene constante (Principio de Conservación).
• Sin embargo, en cada transformación pierde capacidad para realizar otras transformaciones, es decir, se degrada.

El Trabajo Mecánico

En Física, una fuerza realiza trabajo cuando su punto de aplicación se desplaza en una dirección no perpendicular a ella.

El trabajo mecánico (W) de una fuerza constante sobre un cuerpo se puede expresar como producto escalar de la fuerza por el desplazamiento. Se mide en Julios (J) o Newton metro (N · m).

Tipos de Trabajo

• Trabajo motor: Si el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento tiene un valor comprendido entre 0º y 90º, el trabajo es positivo. Se denomina motor porque favorece el movimiento del cuerpo y aumenta su energía.
• Trabajo nulo: Si la fuerza es perpendicular al desplazamiento (ángulo de 90º), no realiza trabajo.
• Trabajo resistente: Si el ángulo tiene un valor comprendido entre 90º y 180º, el trabajo es negativo. Se denomina resistente porque se opone al movimiento del cuerpo y se realiza a expensas de la energía del cuerpo. Un ejemplo de trabajo resistente es el realizado por las fuerzas de rozamiento.

Cuando varias fuerzas actúan sobre un cuerpo, la suma de todos los trabajos realizados por éstas equivale al trabajo que realizaría la fuerza resultante.

La Potencia

La potencia es el trabajo realizado por un sistema en la unidad de tiempo. Mide la rapidez con que tiene lugar dicha transferencia de energía.

Su unidad en el Sistema Internacional es el vatio (W), que equivale a 1 Julio por segundo (1 J/s). Una unidad común fuera del SI es el caballo de vapor (CV), que equivale a 735,5 W (1 CV = 735,5 W).

Conceptos Energéticos Clave

Una fuerza es conservativa cuando el trabajo que realiza depende sólo de las posiciones inicial y final de su punto de aplicación, y no del camino recorrido.

La energía cinética (Ec o K) es la capacidad de producir trabajo de un cuerpo por el hecho de estar en movimiento.

Teorema del Trabajo y la Energía Cinética

También conocido como Teorema de las Fuerzas Vivas: "El trabajo total realizado sobre un cuerpo para pasar de una posición inicial a una posición final es igual a la variación de la energía cinética que experimenta".

La energía potencial gravitatoria (Ep o Ug) es la capacidad para producir trabajo de un cuerpo debido a su posición en un campo gravitatorio (como la superficie de la Tierra). Por ejemplo, al dejar caer un cuerpo con energía potencial gravitatoria, este puede realizar trabajo sobre otros cuerpos.

Principio de Conservación de la Energía Mecánica

Este principio establece que: "Si las únicas fuerzas que actúan sobre un cuerpo son fuerzas conservativas, la energía mecánica total del cuerpo (suma de energía cinética y potencial) permanece constante".

Termodinámica Básica

La temperatura de un cuerpo es una medida de la energía cinética media de las partículas que lo forman.

El calor (Q) es la energía transferida entre dos cuerpos o sistemas debido a una diferencia de temperatura.

La termodinámica es la parte de la física que estudia los intercambios energéticos que se producen entre un sistema y su entorno.

Llamamos energía interna (U) de un sistema a la energía total de las partículas que lo constituyen. Incluye la suma de las energías cinéticas (de traslación, vibración, rotación, etc.) y las energías potenciales de interacción entre todas las partículas.

Primer Principio de la Termodinámica

Este principio es una formulación de la conservación de la energía para sistemas termodinámicos: "La variación de energía interna de un sistema (ΔU) es igual a la suma del calor (Q) que intercambia con el entorno y el trabajo (W) realizado por o sobre dicho sistema". Matemáticamente: ΔU = Q + W (la convención de signos para Q y W puede variar según el contexto, pero esta es una forma común).