Trabajo, potencia y energía

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Trabajo, potencia y energía

  1. 1. Trabajo, Potencia y Energía Calor y Energía Térmica Temas 5 y 6
  2. 2. Contenidos: <ul><li>Definición física de trabajo y de energía. </li></ul><ul><li>Trabajo realizado por una fuerza constante. Unidades </li></ul><ul><li>Concepto de potencia. Unidades. </li></ul><ul><ul><ul><li>Rendimiento. </li></ul></ul></ul><ul><li>Energía mecánica. Unidades. </li></ul><ul><li>Energía cinética. </li></ul><ul><li>Energía potencial. </li></ul><ul><ul><ul><li>Energía potencial gravitatoria. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Energía potencial elástica. </li></ul></ul></ul><ul><li>Transformación de la Energía mecánica. </li></ul><ul><ul><ul><li>Principio de conservación de la energía mecánica. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Principio de conservación de la energía. </li></ul></ul></ul><ul><li>Máquinas simples: </li></ul><ul><ul><ul><li>Palanca. Condiciones de equilibrio. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Polea. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Pendiente o Plano inclinado. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Tornillo. </li></ul></ul></ul><ul><li>Actividades. </li></ul>
  3. 3. Contenidos (cont): <ul><li>Equilibrio térmico y escala de temperaturas. </li></ul><ul><li>Cantidad de calor transferida. </li></ul><ul><ul><ul><li>En intervalos térmicos. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>En cambios de estado. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Otros efectos del calor sobre los cuerpos: Dilatación en sólidos, líquidos y gases. </li></ul></ul></ul><ul><li>Transmisión de la energía térmica. </li></ul><ul><ul><ul><li>Conducción. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Convección. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Radiación. </li></ul></ul></ul><ul><li>Equivalencia entre la energía mecánica y la térmica. </li></ul><ul><ul><ul><li>Experimento de Joule. Equivalente mecánico del calor. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Degradación de la energía </li></ul></ul></ul><ul><li>Máquinas Térmicas. Central Térmica </li></ul><ul><li>Fuentes de Energía. </li></ul><ul><li>Actividades. </li></ul>
  4. 4. ¿Qué es trabajo? <ul><li>Llamamos trabajo al producto de una fuerza por el desplazamiento que produce. </li></ul><ul><li>Si una persona lleva colgada la mochila, pero no se mueve del lugar donde está NO realiza trabajo físico. Lo que hace es un esfuerzo muscular . </li></ul><ul><li>Llamamos energía a la capacidad que tienen los cuerpos para producir transformaciones o para realizar un trabajo . </li></ul><ul><li>El trabajo y la energía se miden en las mismas unidades. </li></ul><ul><li>Cuando un cuerpo realiza un trabajo , pierde energía , que la gana el cuerpo sobre el que se realiza el trabajo . La variación de energía que tiene lugar es igual al trabajo realizado. </li></ul><ul><li>Trabajo = variación de Energía ( Δ E) </li></ul>
  5. 5. Trabajo de una fuerza constante <ul><li>Llamamos trabajo al producto escalar de la fuerza aplicada sobre un cuerpo por el desplazamiento que le produce.(Ya hemos dicho que si no hay desplazamiento no hay trabajo ). </li></ul><ul><li>W = F·x·cos α </li></ul><ul><li> α es el ángulo que forma la dirección de la fuerza con la dirección del desplazamiento. </li></ul><ul><li>En el S.I. la unidad de trabajo se llama julio (J), que equivale al trabajo realizado por una fuerza de 1N cuando el cuerpo se desplaza 1m en la misma dirección. </li></ul><ul><li>1 julio = 1 newton x 1 metro </li></ul>
  6. 6. Concepto de Potencia <ul><li>Es el cociente entre el trabajo realizado y el tiempo que se tarda en realizarlo. </li></ul><ul><li>La unidad de potencia en el SI es el vatio (w) , que se define como la potencia necesaria para realizar un trabajo de un julio en un segundo. </li></ul><ul><li>El vatio es una unidad muy pequeña, por lo que se suele utilizar el kilovatio (kw), que equivale a 1000 w </li></ul>
  7. 7. Rendimiento <ul><li>Llamamos rendimiento al cociente entre la potencia real suministrada y la potencia teórica. </li></ul><ul><ul><ul><ul><ul><li>Rendimiento = </li></ul></ul></ul></ul></ul><ul><li>Otras Unidades de Trabajo y Potencia. </li></ul><ul><li>Trabajo : Kilovatio-hora (Kw·h) Equivale a 3.600.000 julios. Se utiliza mucho en la factura de la electricidad y del gas natural. </li></ul><ul><li>Potencia : Caballo de vapor (C.V. ó H.P. ) Equivale a 736 vatios. Se utiliza para indicar la potencia de las máquinas. </li></ul>
  8. 8. Formas de energía <ul><li>La energía se puede presentar en la naturaleza de diferentes formas: </li></ul><ul><ul><li>Energía mecánica : Se debe al movimiento o a la posición que ocupa un cuerpo. </li></ul></ul><ul><ul><li>Energía térmica : Es la que se desprende en la combustión de los cuerpos. </li></ul></ul><ul><ul><li>Energía eléctrica : Se origina por el movimiento de los electrones en el interior de materiales conductores. </li></ul></ul><ul><ul><li>Energía radiante : Es la que emiten los cuerpos. </li></ul></ul><ul><ul><li>Energía química : La que se pone de manifiesto en las reacciones químicas. </li></ul></ul><ul><ul><li>Energía nuclear : Se libera en las reacciones de fusión y fisión nuclear. </li></ul></ul><ul><ul><li>Energía interna : Se debe al movimiento interno de las partículas que constituyen la materia. </li></ul></ul>
  9. 9. Energía mecánica <ul><li>Es la que poseen los cuerpos en función de su estado de movimiento o de la posición que ocupan en el espacio. Se estudia bajo dos aspectos: energía cinética y energía potencial. </li></ul>
  10. 10. Energía cinética <ul><li>Energía cinética : Es la que se manifiesta en un cuerpo debido al movimiento que realiza. Se define como “ la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo mediante el movimiento”. </li></ul>
  11. 11. Relación entre trabajo y energía cinética <ul><li>Al aplicar un trabajo sobre un cuerpo (fuerza x desplazamiento) se observa que éste cambia su velocidad, por lo que podemos deducir que cambia su Energía cinética . </li></ul><ul><li>Trabajo = Variación de E c = Δ E C = E C2 – E C1 </li></ul>
  12. 12. Energía potencial <ul><li>Energía potencial: es la que posee un cuerpo en virtud de la posición que ocupa con respecto a un sistema de referencia. La podemos estudiar bajo dos aspectos: energía potencial gravitatoria y energía potencial elástica . </li></ul>
  13. 13. Energía potencial gravitatoria <ul><li>Es el trabajo que se realiza para elevar un cuerpo hasta una determinada altura. </li></ul><ul><li>E pg = m·g·h </li></ul><ul><li>La altura de referencia que tomamos es la superficie de la Tierra. Por tanto, en un desplazamiento horizontal no cambiará su valor. </li></ul><ul><li>¿Qué energía potencial tendrá una persona de 50 kg de masa situada a una altura de 10 m? </li></ul>
  14. 14. Energía potencial elástica <ul><li>Es la que posee un cuerpo elástico debido a su estado de tensión. </li></ul><ul><li>Para los cuerpos que se deformen cumpliendo la ley de Hooke, la energía potencial elástica que almacena aumenta con el cuadrado de la deformación. </li></ul><ul><li>Cuanto más se separa el cuerpo de su posición de equilibrio, mayor es la energía potencial elástica que acumula. </li></ul><ul><li>K es una constante propia del material con el que se hace el cuerpo. </li></ul>
  15. 15. Conservación de la Energía Mecánica <ul><li>“ La suma de la Energía cinética más la Energía potencial que posee un cuerpo se mantiene constante”. Es decir, lo que aumente una de ellas, disminuye la otra. </li></ul><ul><li>E mecánica = constante </li></ul><ul><li>E cinética + E potencial = E mecánica </li></ul>
  16. 16. Energía del Universo <ul><li>“ La energía total que existe en el universo es constante” </li></ul><ul><li>“ La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma de una en otra” </li></ul><ul><li>En todos los procesos hay intercambio de energía, pero la suma de todos los tipos permanece constante. Aunque, hay ciertas formas de energía que se pueden aprovechar menos y se denominan energías degradadas. </li></ul>
  17. 17. Máquinas simples <ul><li>Son dispositivos o conjuntos de piezas que transmiten fuerzas y consiguen alguno de los siguientes efectos: </li></ul><ul><ul><li>Varían la intensidad (módulo) de la fuerza. </li></ul></ul><ul><ul><li>Modifican su dirección. </li></ul></ul><ul><ul><li>Transforman un tipo de energía en otro. </li></ul></ul><ul><ul><li>Condición de Equilibrio </li></ul></ul><ul><ul><li>“ Trabajo de la fuerza motriz es igual al trabajo de la fuerza resistente” </li></ul></ul><ul><ul><li>F Motriz ·a = F resistente ·b </li></ul></ul>
  18. 18. Tipos de máquinas simples <ul><li>Las máquinas simples son conocidas y utilizadas desde la antigüedad y las más sencillas son: </li></ul><ul><li>Palanca </li></ul><ul><li>Polea </li></ul><ul><li>Plano inclinado o pendiente </li></ul><ul><li>Tornillo </li></ul>
  19. 19. Palanca <ul><li>Es una máquina simple que varía la intensidad de la fuerza transmitida. </li></ul><ul><li>Distinguimos los siguientes elementos: </li></ul><ul><ul><li>Punto de aplicación de la fuerza motriz. (F M ) </li></ul></ul><ul><ul><li>Punto de aplicación de la resistencia. (F R ) </li></ul></ul><ul><ul><li>Punto de apoyo de la palanca. FULCRO </li></ul></ul><ul><ul><li>Brazo de la F M (a): distancia de ésta al fulcro. </li></ul></ul><ul><ul><li>Brazo de la F R (b): distancia de ésta al fulcro. </li></ul></ul><ul><ul><li>F M ·a = F R ·b </li></ul></ul>
  20. 20. Tipos de Palancas <ul><li>Según la posición del fulcro, la F M y la F R , las palancas se clasifican en: </li></ul><ul><li>Palanca de primer género. </li></ul><ul><li>Palanca de segundo género. </li></ul><ul><li>Palanca de tercer género. </li></ul><ul><li>En las tres se cumple la condición de equilibrio de las máquinas simples. </li></ul>
  21. 21. Palanca de primer género <ul><li>El fulcro está situado entre la fuerza motriz y la fuerza resistente . </li></ul>
  22. 22. Palanca de segundo género <ul><li>La F R está entre la fuerza motriz y el fulcro. </li></ul>
  23. 23. Palanca de tercer género <ul><li>La fuerza motriz se sitúa entre el fulcro y la fuerza resistente. </li></ul>
  24. 24. Poleas <ul><li>Son ruedas que se utilizan para elevar cuerpos mediante cuerdas o cadenas que transmiten la fuerza. </li></ul><ul><li>Polea fija Sólo cambia la dirección de la fuerza aplicada para hacer más cómodo el esfuerzo. </li></ul><ul><li>Polea móvil (Poliplasto) Es un conjunto de poleas enlazadas que permiten disminuir la fuerza motriz que debemos aplicar. </li></ul><ul><li>F M = F R /n </li></ul><ul><li>n = número de poleas </li></ul>
  25. 25. Plano inclinado <ul><li>Es una línea que une un punto con otro situado a mayor altura, formando un ángulo con la horizontal. Disminuye la F M a cambio de recorrer una distancia mayor. </li></ul><ul><li>F M x longitud = F R x altura </li></ul>
  26. 26. Tornillo <ul><li>Son una variante del plano inclinado. La rampa se enrolla en el cilindro central. La fuerza motriz se aplica en la cabeza y la resistencia se vence con la punta del tornillo. </li></ul><ul><li>F M x radio de la cabeza = F R x paso de rosca </li></ul>
  27. 27. Calor y energía térmica Escalas de Temperaturas <ul><li>Llamamos calor a la transferencia de energía que tiene lugar de un cuerpo caliente (temperatura mayor) a otro frío (temperatura menor) cuando se ponen en contacto. Por tanto, calor es un proceso de intercambio de energía, similar al trabajo. </li></ul><ul><li>Temperatura es una medida de la agitación térmica de un cuerpo, es decir, de la energía cinética de las partículas que lo forman. A mayor energía cinética de las partículas, mayor movimiento de éstas y mayor temperatura. </li></ul><ul><li>En la actualidad se utilizan tres escalas de temperatura: Fahrenheit, Celsius o centígrada y absoluta. Se diferencian en la elección del punto 0 y en la escala. </li></ul>
  28. 28. Escalas de Temperaturas
  29. 29. Escalas de Temperaturas <ul><li>Si llamamos C a la temperatura en grados centígrados, F a la temperatura en grados Fahrenheit y K a la temperatura Kelvin, la relación entre ellas es: </li></ul><ul><li>Cuando dos cuerpos están a la misma temperatura, diremos que se encuentran en equilibrio térmico . </li></ul>
  30. 30. Calor en intervalo de T <ul><li>Cantidad de calor transferida en un intervalo de temperatura : El calor que se transfiere de un cuerpo caliente a otro frío es: </li></ul><ul><li>donde Q es el calor; m la masa de la sustancia; c la capacidad calorífica y t 2 y t 1 las temperaturas inicial y final. </li></ul><ul><li>Se llama capacidad calorífica específica o calor específico de una sustancia a la energía necesaria para elevar un grado la temperatura de 1 kg de dicha sustancia. Se mide en J/kg·ºC ó J/kg·K. El calor específico de una sustancia se determina en un calorímetro. </li></ul>
  31. 31. Calor en cambios de estado <ul><li>Cantidad de calor transferida en un cambio de estado : Es la cantidad de energía que se transfiere a 1kg de una sustancia pura para cambiar de estado, a una presión fija y a la temperatura del cambio de estado. </li></ul><ul><li>Fusión: </li></ul><ul><li>Vaporización : </li></ul>
  32. 32. Otros efectos del calor <ul><li>Dilatación en sólidos : </li></ul><ul><li>lineal: l t = l 0 (1 + λ·t) λ es el coeficiente de dilatación lineal. </li></ul><ul><li>superficial: s t = s 0 (1 + β·t) β es el coeficiente de dilatación superficial. </li></ul><ul><li>cúbica: v t = v 0 (1 + γ·t) γ es el coeficiente de dilatación cúbica. </li></ul><ul><li>Dilatación en líquidos : </li></ul><ul><li>Los líquidos sólo tienen dilatación cúbica. Es difícil medirla, porque a la vez se dilata el recipiente que los contiene. </li></ul><ul><li>Dilatación en gases : </li></ul><ul><li>Se dilatan mucho más que los sólidos y que los líquidos. En el tema 4 estudiamos la relación entre presión, volumen y temperatura de un gas. </li></ul>
  33. 33. Transmisión del calor <ul><li>conducción : es el proceso de transmisión del calor en sólidos. </li></ul><ul><li>convección : es el proceso de transmisión del calor en líquidos </li></ul><ul><li>radiación : es el proceso de transmisión del calor en gases. </li></ul>
  34. 34. Equivalente mecánico del calor <ul><li>“ Cuando una cierta cantidad de energía mecánica se consume en un sistema se produce una cantidad idéntica en forma de energía térmica (calor)”; en otras palabras “el trabajo realizado por un sistema material se disipa en forma de calor” </li></ul><ul><li>W=Q </li></ul><ul><li>Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de 1 gramo de agua. </li></ul><ul><li>1 cal = 4,18 J 8 -> 1 J = 0,24 cal </li></ul>
  35. 35. Degradación de la energía <ul><li>Degradación de la energía: Hemos visto que el calor es una forma de energía (energía térmica), de manera que cualquier tipo de energía se puede convertir en calor. Pero la inversa es difícil, y no se consigue convertir el calor en otros tipos de energía al 100%. Por este motivo al calor se le llama energía degradada, ya que no se puede aprovechar por completo. Los procesos que cumplen el principio de conservación de la energía, pero cuyo proceso inverso nunca ocurre se llaman procesos irreversibles. </li></ul>
  36. 36. Máquinas térmicas <ul><li>Máquinas térmicas: Son dispositivos que pueden transformar la energía térmica en otras formas de energía, mecánica o eléctrica. Las más conocidas son: máquina de vapor, turbina de vapor y motor de explosión o combustión interna. </li></ul>
  37. 37. Máquina y turbina de vapor <ul><li>Una máquina de vapor transforma en energía mecánica la energía calorífica que se desprende en la combustión. </li></ul>
  38. 38. Motor de combustión <ul><li>El combustible es quemado dentro del motor, comprimiendo antes los gases. El gas resultante empuja el émbolo que toma un movimiento alternativo y rotatorio mediante una biela y una manivela. </li></ul>
  39. 39. Central Térmica
  40. 40. y ahora <ul><li>os toca a vosotros hacer las </li></ul>ACTIVIDADES

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