Fundamentos de la Energía, el Trabajo y la Transferencia de Calor en Sistemas Físicos

Energía y Trabajo Mecánico

Energía

La Energía es la propiedad de los cuerpos que les permite producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos.

Tipos de Energía

• Energía Mecánica (E_m): Se rige por el Principio de Conservación de la Energía Mecánica: si la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo es su propio peso, la E_m permanece constante (cte).
• Energía Térmica: Energía intercambiada entre dos cuerpos en contacto.
• Energía Química: Energía debida a los enlaces moleculares.
• Energía Nuclear: Energía liberada mediante procesos de fusión y fisión.
• Energía Radiante: Energía transmitida por ondas electromagnéticas.

Trabajo y Potencia

Trabajo (W)

El Trabajo (W), medido en Julios (J), es la energía que se transfiere de un sistema a otro por medio de una fuerza que provoca un desplazamiento.

Relación Trabajo y Energía

El trabajo realizado es igual al cambio en la energía cinética o potencial (Teorema de las Fuerzas Vivas o Trabajo-Energía):

• Trabajo y Energía Cinética (E_c): $W = \Delta E_c \leftrightarrow W = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v_2^2 - \frac{1}{2} \cdot m \cdot v_1^2$
• Trabajo y Energía Potencial (E_p): $W = \Delta E_p \leftrightarrow W = m \cdot g \cdot h_2 - m \cdot g \cdot h_1$

Potencia (P)

La Potencia (P) es la magnitud que relaciona el trabajo realizado con el tiempo empleado en hacerlo.

Fórmula: $P = W/t$

Equivalencia de unidades: $1 \text{ CV} = 736 \text{ W}$

Calor y Termodinámica

Energía Interna y Temperatura

La materia está formada por partículas que poseen Energía Cinética (E_c) debido a su movimiento constante, y Energía Potencial (E_p) debido a la posición que ocupan. La suma de estas energías es la Energía Interna (U).

Factores de los que depende la Energía Interna

• La cantidad de materia (a más partículas, más energía).
• El tipo de sustancia.
• La Temperatura (T) (a mayor T, mayor velocidad de las partículas, y por ende, mayor E_c).

Temperatura

La Temperatura (T) es la medida de la Energía Cinética media de las partículas de un cuerpo.

Escalas de Temperatura

• Celsius (o Centígrado).
• Kelvin (K): En el cero absoluto ($0 \text{ K}$ o $-273.15 \text{ °C}$), las partículas de un cuerpo cesan su movimiento.

Conversión: $K = \text{°C} + 273.15$

Calor (Q)

El Calor (Q) es la energía térmica que se intercambia al poner en contacto dos cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas, o cuando se produce un cambio de estado.

Equilibrio Térmico

Dos cuerpos en contacto a diferente temperatura alcanzan una Temperatura de Equilibrio (la misma), cediendo o absorbiendo calor.

Fórmula del calor sensible: $Q = m \cdot c_e \cdot \Delta T \leftrightarrow Q = m \cdot c_e \cdot (T_2 - T_1)$

Cambio de Estado

Ocurre cuando una sustancia absorbe o cede calor. Durante este proceso, la temperatura no varía, solo se modifican las fuerzas de cohesión de sus partículas.

• Calor Latente (L): Cantidad de calor que hay que comunicar a la unidad de masa de una sustancia para que experimente el cambio de estado, a la temperatura de dicho cambio.
• Fórmula del calor latente: $Q = m \cdot L$

Procesos de Cambio de Estado

• Absorción de calor: FUSIÓN $\rightarrow$ EBULLICIÓN
• Cesión de calor: SOLIDIFICACIÓN $\leftarrow$ CONDENSACIÓN

Dilatación Térmica

Por efecto del calor, los sólidos, líquidos y gases, al aumentar la temperatura, se dilatan (aumentan su volumen).

Nota: La densidad ($d = m/v$) se ve afectada por la dilatación, ya que el volumen (v) cambia.

Transmisión de Calor

Existen tres mecanismos fundamentales por los cuales se transfiere la energía térmica:

1. Conducción: Método por el cual se transmite el calor principalmente en los sólidos. La energía se propaga sin transporte de materia, gracias a los choques entre partículas calientes y sus vecinas.

2. Convección: Método por el cual se transmite el calor en los fluidos (líquidos y gases). Se propaga con transporte de materia (corrientes de convección).

3. Radiación: Se transmite sin que exista contacto material entre los cuerpos, a través de ondas electromagnéticas. Es la única forma de transmitir energía en el vacío (ejemplo: el calor del Sol).