Principios Fundamentales de Energía y Trabajo en Física

Trabajo y Energía: Conceptos Fundamentales

La Energía y sus Formas

La energía es una propiedad de los cuerpos y de los sistemas físicos que les permite experimentar cambios. Se presenta en diversas formas. Los seres vivos obtienen energía a partir de los alimentos. La energía se manifiesta de muy diversas maneras: energía química, térmica, eléctrica, luminosa, nuclear, etc. En toda transformación energética, la energía nunca se pierde; en todo caso, se dan transformaciones de una forma de energía en otra.

Propiedades de la Energía

• La energía se transfiere: trabajo (forma mecánica) y calor (forma térmica).

Energía Mecánica

Se hace referencia a dos formas de energía:

• Energía Cinética (Ec)

  Es la energía asociada al movimiento; su valor es: Ec = ½ m · v². La variación de energía cinética se expresa como: ΔEc = ½ m (V_f² - V_i²). Si la masa "m" se expresa en kilogramos (kg) y la velocidad "v" en metros por segundo (m/s), entonces la energía cinética se mide en Julios (J). Cuanto mayores sean la masa y la velocidad de un cuerpo, mayor será su energía cinética.

• Energía Potencial (Ep)

  Es la energía asociada a la posición de los cuerpos. Un cuerpo de masa "m", por el hecho de encontrarse a una altura "h" sobre la superficie terrestre, posee una energía potencial gravitatoria (Ep) que se calcula como: Ep = m · g · h. Si la masa se expresa en kilogramos (kg), la aceleración de la gravedad "g" en metros por segundo al cuadrado (m/s²), y la altura en metros (m), la energía potencial se mide en Julios (J).

Se define la energía mecánica (Em) de un cuerpo como la suma de su energía cinética y su energía potencial: Em = ½ m · v² + m · g · h.

El Trabajo (W)

Es la magnitud que mide la energía que se transfiere mecánicamente de un cuerpo a otro por medio de una fuerza que provoca un desplazamiento. Se calcula mediante la expresión: W = F · Δx · cosα.

• Si α = 90º, entonces cos 90º = 0, por lo que W = 0. En este caso, se hace esfuerzo, pero no se realiza trabajo mecánico.
• Si α = 0º, entonces cos 0º = 1, por lo que W = F · Δx. Se realiza trabajo porque la fuerza provoca un desplazamiento en su dirección.

La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el Julio (J), donde 1 J = 1 N · m.

Relación entre Trabajo y Energía Mecánica

• Trabajo y Energía Potencial

  El trabajo realizado por el peso está relacionado con la variación de la energía potencial: W_peso = ΔEp.

• Trabajo y Energía Cinética

  El trabajo total realizado sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética (Teorema de las fuerzas vivas): W_total = ΔEc.

Potencia (P)

Es la magnitud que mide la relación entre el trabajo o la energía consumida y el tiempo empleado en realizarlo. Se calcula como: P = W / t.

• Equivalencias comunes: 1 kW = 1000 W, 1 CV = 735 W.

Rendimiento (η)

Se define el rendimiento (η) como la relación entre el trabajo, energía o potencia útil (real) que se obtiene y el trabajo, energía o potencia consumida (teórica) o trabajo motor. Se expresa generalmente en porcentaje: η = (W_útil / W_consumida) · 100%.

Escalas Termométricas

Las escalas termométricas son sistemas de medición de la temperatura.

• Escala Celsius (ºC)

  Define los grados "Centígrados".

• Escala Fahrenheit (ºF)

  Define los grados "Fahrenheit". La relación entre Celsius y Fahrenheit es: T_ºC / 100 = (T_ºF - 32) / 180.

• Escala Kelvin (K)

  Esta escala es la unidad de temperatura en el Sistema Internacional (S.I.). Se emplea en las investigaciones científicas de Física y Química. Se puede pasar de la escala Celsius a la escala Kelvin de la siguiente manera: K = ºC + 273.

Calor y su Determinación

La cantidad de calor (Q) absorbido por un cuerpo de masa "m" cuando pasa de una temperatura inicial (T_i) a otra temperatura final (T_f), viene dada por la expresión: Q = m · Ce · (T_f - T_i). El calor se mide en Julios (J).

Equilibrio Térmico

Cuando dos cuerpos de distinta masa y temperatura se ponen en contacto, ocurre lo siguiente:

• El cuerpo caliente cede calor al cuerpo frío.
• La temperatura del cuerpo caliente desciende, mientras que la del cuerpo frío aumenta.
• Se alcanza una temperatura final de la mezcla (T_f), que es la misma para ambos cuerpos.

Considerando que el calor absorbido por un cuerpo es positivo y el calor cedido es negativo, en el equilibrio térmico la suma de los calores intercambiados es cero. Si T₂ > T₁ (donde T₁ es la temperatura inicial del cuerpo 1 y T₂ la del cuerpo 2), entonces:

m₁ · Ce₁ · (T_f - T₁) = m₂ · Ce₂ · (T₂ - T_f)