Principios Esenciales de la Energía y su Transferencia

Energía: Definición y Unidades

La energía es una magnitud física que mide la capacidad de un cuerpo para producir cambios en sí mismo o en otros cuerpos. En el Sistema Internacional (SI) se mide en julios (J).

Equivalencias comunes:

• 1 caloría (cal) = 4,18 J (utilizada en el contexto del calor)
• 1 kilovatio-hora (kWh) = 3 600 000 J (utilizada para el consumo eléctrico)

Tipos de Energía

• Energía Cinética (Ec)

  Es la que poseen los cuerpos por el hecho de estar en movimiento. Depende de la masa (m) y la velocidad (v) del cuerpo.

  Fórmula: Ec = 0,5 · m · v²

• Energía Potencial (Ep)

  Es la que tiene un cuerpo por el hecho de estar en una determinada posición o estado de deformación. Se distinguen varios tipos:

  • Energía Potencial Gravitatoria (Ep_g)

    Depende de la masa (m) del cuerpo, la aceleración de la gravedad (g) y la altura (h) a la que se encuentra sobre una superficie de referencia.

    Fórmula: Ep_g = m · g · h

  • Energía Potencial Elástica (Ep_e)

    Depende de la deformación (x) que sufra un cuerpo elástico (como un muelle) y de su constante elástica (k).

    Fórmula: Ep_e = 0,5 · k · x²

Transferencia de Energía

Los cuerpos intercambian energía de dos maneras principales:

• De forma Mecánica (Trabajo)

  Ocurre cuando una fuerza produce un desplazamiento, mediante la realización de un trabajo. Por ejemplo, el funcionamiento del motor de un vehículo.

• De forma Térmica (Calor)

  Sucede cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, intercambiando calor hasta alcanzar el equilibrio térmico. Un ejemplo es el derretimiento de hielos.

Trabajo (W)

El trabajo es la forma en que los cuerpos intercambian energía cuando existe una fuerza que provoca un desplazamiento. En el SI se mide en julios (J).

La unidad de trabajo se define como: 1 J = 1 N · 1 m.

Cálculo del Trabajo

Cuando la fuerza (F) y el desplazamiento (d) tienen la misma dirección y sentido (ángulo de 0°):

W = F · d (donde cos 0° = 1)

Cuando la fuerza forma un ángulo (θ) con la dirección del desplazamiento:

La componente de la fuerza que está en la misma dirección que el desplazamiento es la fuerza útil (F_x). Se calcula como F_x = F · cos(θ).

Por lo tanto, la fórmula general del trabajo es: W = F · cos(θ) · d.

Trabajo de la Fuerza de Rozamiento (W_roz)

La fuerza de rozamiento siempre se opone al movimiento, por lo que el ángulo entre la fuerza de rozamiento y el desplazamiento es de 180° (cos 180° = -1).

W_roz = F_roz · d · cos(180°) = - F_roz · d

Donde F_roz = μ · N (μ es el coeficiente de rozamiento y N es la fuerza normal).

Relación entre Trabajo y Energía

El Teorema de las Fuerzas Vivas (o Teorema Trabajo-Energía Cinética) establece que el trabajo neto realizado sobre un cuerpo es igual al cambio en su energía cinética:

W_neto = ΔEc = Ec_final - Ec_inicial

Energía Mecánica (Em)

La energía mecánica de un cuerpo es la suma de su energía cinética y su energía potencial:

Em = Ec + Ep = (0,5 · m · v²) + (m · g · h)

Variación de la Energía Mecánica

El cambio en la energía mecánica de un sistema es igual al trabajo realizado por las fuerzas no conservativas (como la fricción):

W_no_conservativas = ΔEm = Em_final - Em_inicial = (Ec_final + Ep_final) - (Ec_inicial + Ep_inicial)

Conservación de la Energía Mecánica

Cuando un cuerpo se mueve únicamente bajo la acción de fuerzas conservativas (como el peso o la fuerza elástica), su energía mecánica total permanece constante:

Em_inicial = Em_final

Si hay fuerzas de rozamiento (fuerzas no conservativas) actuando, la energía mecánica no se conserva, y la variación es igual al trabajo realizado por estas fuerzas:

W_rozamiento = Em_final - Em_inicial (donde W_rozamiento es negativo, indicando una pérdida de energía mecánica)

Potencia (P)

La potencia es una magnitud física que relaciona el trabajo realizado o la energía aportada con el tiempo empleado en ello.

Fórmula: P = W / t

En el SI se mide en vatios (W). La unidad se define como: 1 W = 1 J / 1 s.

Unidades de Potencia

• 1 kilovatio (kW) = 1000 W
• 1 kilovatio-hora (kWh) = 1000 W · 3600 s = 3 600 000 J = 3600 kJ (Esta es una unidad de energía, no de potencia, pero se usa comúnmente para facturación eléctrica).

Rendimiento (η)

El rendimiento es la relación entre el trabajo útil que se obtiene de un sistema y el trabajo aplicado (o energía de entrada). Se expresa comúnmente como un porcentaje.

Fórmula: η = (Trabajo útil / Trabajo aplicado) · 100%