Tipos de energía y conservación de la energía
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| Sitio: | Aulas | Uruguay Educa |
| Curso: | Física - 3º C.B. |
| Libro: | Tipos de energía y conservación de la energía |
| Imprimido por: | Invitado |
| Día: | viernes, 22 de noviembre de 2024, 12:40 |
Tabla de contenidos
1. Introducción
La energía es uno de los conceptos más importantes de la Física. Es fundamental la idea de energía para lograr explicar cómo se organiza el universo. Los cambios que se producen en un sistema requieren un cambio en su energía, ya sea en los tipos de energía que tiene el sistema como en la cantidad total de la misma.
Es fundamental comprender la importancia de la energía para describir cómo ocurren los cambios y explicar cómo se ordena el universo.
Algunas de las características de la energía:
- es una propiedad de los sistemas, que se puede determinar a partir de otras propiedades.
- es escalar, quiere decir que queda determinada con un valor numérico y su unidad.
- los sistemas pueden experimentar cambios de energía, pero su valor total se conserva.
Lo que sigue no es una definición de energía pero resume sus características principales,
1.1. Los tipos de energía
En la Física actual no sabemos qué es la energía, sin embargo, es una cantidad que se puede calcular, es "algo" que no se puede ver, ni tiene forma.
- La energía siempre "debe ser calculada" y su valor es relativo, por ejemplo la energía potencial gravitatoria depende del sistema de referencia elegido.
- En la Física es más importante considerar las variaciones de energía. Ellas sí son independientes del sistema de referencia elegido.
- Para establecer la Ley de Conservación de la energía es necesario considerar el tipo de sistema que se estudia, si es abierto, cerrado o aislado, ya que el enunciado cambia según el sistema.
1.2. "Formas" de energía
En la vida cotidiana y en los textos científicos se encuentran diversos nombres para los "tipos"
de energía. Los nombres energía elástica, química, eólica, etc., están relacionados con la forma en la que se obtiene. Pero todas ellas se originan de las energías: cinética, potenciales o de masa.
| "Tipo" |
Origen |
Ejemplo |
|---|---|---|
| Energía química | Energía cinética y potencial eléctrica. |  |
| Energía luminosa |
Movimiento acelerado de cargas eléctricas (ondas electromagnéticas - Radiación). |  |
| Energía eólica |
Energía cinética - movimiento del aire. |
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| Energía térmica |
Energía cinética - movimiento de las partículas. |
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| Energía hidráulica |
Energía potencial gravitatoria - agua acumulada en una cierta altura. Energía cinética - agua en movimiento pasando a través de la turbina. |
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| Energía nuclear |
Energía potencial - almacenada en interacciones entre las partículas del núcleo de un átomo: protones y neutrones. |
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2. Procesos de transferencia de energía
2.1. Intercambios de energía
En el siguiente esquema se muestran los procesos por los cuales se da la
transferencia de energía entre los sistemas y con el entorno, es decir
los procesos radiación, trabajo y calor dan como resultado los cambios
de energía en los sistemas que interactúan:
- Genera la mayoría de los cambios en los sistemas.
- Se produce "a través" de las ondas electromagnéticas.
- Se produce cuando se aplican fuerzas entre sistemas o entre sistemas y el ambiente
- y se producen desplazamientos.
- Se produce en la interacción entre sistemas a diferente temperatura.
- Proceso que tiene su origen en los cambios en el movimiento y los "choques" entre las partículas.
- No es una nueva forma de energía, se puede pensar como el trabajo realizado entre partículas que interactúan en los "choques".
- Si los sistemas se encuentran a igual temperatura, no se produce intercambio de energía por calor y los sistemas se encuentran en equilibrio térmico.
3. Energía potencial
La energía potencial, es una energía asociada a la posición relativa de un cuerpo o partículas en función de las fuerzas o interacciones fundamentales que se producen entre ellas (fuerzas gravitatorias, electromagnéticas o nucleares). La suma de cada una de las energías potenciales de un sistema será la energía potencial del sistema.
Se le denomina energía potencial (Ep o U).
La energía potencial gravitatoria está asociada a la propiedad masa (Epg o Ug). Un cuerpo o partícula posee energía potencial gravitatoria cuando se encuentra a cierta altura con respecto a un nivel de referencia. Por ejemplo, si tomamos como nivel de referencia la superficie terrestre, todos los cuerpos que se encuentren a cierta altura con respecto a ella tendrán Epg. El valor de la Epg va a depender del sistema de referencia elegido.
La energía potencial elástica se asocia a resortes deformados (Epe o Ue). Esta energía es debida a las fuerzas electromagnéticas entre los átomos que forman la red metálica del material deformado.
En los combustibles y en las pilas también se almacena energía potencial.
En los subcapítulos que siguen describiremos la Epg y la Epe (Ug y Ue).
3.1. Energía potencial gravitatoria
En el siguiente video se explica de qué variables depende la energía potencial gravitatoria y se brindan ejemplos de la variación de la energía potencial gravitatoria:
En resumen, siendo m la masa del cuerpo, g la aceleración gravitatoria (si es cerca de la superficie de la Tierra g = 9,81 m/s2, muchas veces este valor se aproxima a 10 m/s2) y h la altura del cuerpo con respecto a un nivel tomado como referencia, la Epg, energía potencial gravitatora se puede determinar así:
Para finalizar te recomiendo que realices la siguiente actividad de autoevaluación.
Video tomado: https://www.youtube.com/watch?v=GlKEG-POSxE
3.2. Energía potencial elástica
La energía potencial elástica (Epe o Ue) es otro tipo de energía potencial, pues depende de la posición relativa del objeto.
Se define la Epe como la energía que se almacena en un cuerpo sometido a la acción de fuerzas elásticas recuperadoras. En el caso de un cuerpo unido a un resorte o muelle, como muestra la figura:
la Epe se determina con la siguiente ecuación:
Siendo K, la constante elástica del resorte, Δl la deformación o variación de longitud del resorte, Δl = lf - lo.
4. Energía cinética
La energía cinética (Ec) es la energía del movimiento. Si un cuerpo se encuentra en movimiento tiene energía cinética, si se encuentra en reposo no tiene energía cinética.
La ecuación que permite determinar el valor de la energía cinética de un cuerpo es:
El video que sigue, explica la relación entre las variables que influyen en la energía cinética en diferentes casos. Luego analiza la transformación de energía potencial gravitatoria en cinética para el caso de una pelota que rueda a través de un tubo acodado y luego para un péndulo. Luego estudia el rebote de una pelota y las tranformaciones de energía que se producen. Obsérvalo detenidamente:
Antes de pasar al siguiente capítulo, trata de responder: ¿Por qué en el resultado del experimento, en el que se deja caer una
bola por un tubo acodado, el valor de la Epg inicial es muy diferente
del valor de la Ec final?
Video tomado: https://www.youtube.com/watch?v=HF-FrkrjPeA
5. Principio de Conservación de la energía
Se denominan fuerzas disipativas o fuerzas no conservativas a aquellas que al actuar hacen que el sistema transfiera energía por trabajo o calor hacia el ambiente, esto provoca que se modifique la energía del sistema. La fuerza de fricción es un ejemplo de fuerza no conservativa. Esta fuerza de rozamiento hace que la energía se transfiera del sistema al ambiente por calor, por tanto la energía mecánica del sistema no permanece constante. Es decir, si las fuerzas no conservativas realizan trabajo la energía mecánica no se conserva.Si en un sistema en movimiento solamente actúan fuerzas conservativas, la suma de su energía cinética más su energía potencial, permanece constante en cualquier punto de la trayectoria. Podemos decir entonces que su energía mecánica total es constante, por tanto la energía mecánica se conserva.
Ahora que ya estudiaste este capítulo, vuelve a responder: ¿Por qué en el resultado del experimento del video del capítulo anterior de Energía cinética, en el que se deja caer una bola por un tubo acodado, el valor de la Epg inicial es muy diferente del valor de la Ec final?
Estudia el contenido de este enlace para entender como se transforma la energía.
Aquí puedes profundizar sobre los tipos de energía, sus transformaciones y su conservación. Al final del mismo tienes un cuestionario con las respuestas.
Imagen tomada de: https://www.freepik.es/vector-gratis/plantillas-banner-papel-enrollado_753419.htm
6. Problemas ejemplo
En los siguientes videos tienes la resolución de problemas que utilizan el Principio de conservación de la energía.
7. Créditos
Bibliografía consultada:- Hewitt, P. (2007). Física conceptual. México: Pearson-Addison Weasley.
- Alvarenga, B., Máximo, A. (1997). Física general. México: Oxford University.
- FEYNMAN, R. P., (1989) Física, Tomo I. EUA: Addison-Wesley Iberoamericana.
- ALONSO, M., (1998), Física. EUA: Addison - Wesley Iberoamericana.
Las imágenes utilizadas fueron tomadas de:
- Introducción: Frames brush 10. Autor: Freepik. Licencia: Estándar de Freepik.
- "Formas" de energía: AA AAA AAAA A23 Comaparison-1. Autor: Lead holder (Own work). Licencia: CC BY-SA 3.0. Wikimedia Commons.
- "Formas" de energía: Carbón black Charcoal -476087. Autor: Cocozi. Licencia: CC0 Dominio Público.
- "Formas" de energía: Gas-gasoline-petrol-pump-automobile-158124. Autor: Open Clipart - Vectors 27452. Licencia: CC0 Dominio Público.
- "Formas" de energía: Usina fotovoltaica (1) 22368169063. Autor: ASCOM Prefeitura de Votuporanga. Licencia: CC BY 2.0. Wikimedia Commons.
- "Formas" de energía: Sunset sunrise sun water afterglow clouds. Autor: Warbe Fabrik. Licencia: CC0 Dominio Público.
- "Formas" de energía: Crucible foundry molten bronze. Autor: MarPock Studios. Licencia: CC0 Dominio Público.
- "Formas" de energía: Itaipú Aérea 2AAL. Autor: Angelo Leithold. Licencia: CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons.
- "Formas" de energía: Power plant. Autor: Stockvault. Licencia: CC BY-NC 2.0.
- Principio de Conservación de la energía: Plantilla - banner - papel - enrollado. Autor: Freepik. Licencia: Estándar de Freepik.
Videos, páginas y simuladores utilizados:
- Energía potencial gravitatoria: Energía Potencial. Archivo de video. Autor: Ciencia Bit: Ciencia y Tecnología. Licencia YouTube estándar. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=GlKEG-POSxE.
- Energía cinética: Energía Cinética. Archivo de video. Autor: Ciencia Bit: Ciencia y Tecnología. Licencia YouTube estándar. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=HF-FrkrjPeA.
- Problemas ejemplo: Taller Víctor Ahumada Física Ejemplo Energía Mecánica. Autor: Puntaje Nacional Chile. Licencia YouTube estándar. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=GU4vnFizl6g&feature=youtu.be.
- Problemas ejemplo: Energía y trabajo 17 conservación energía mecánica ejercicio 01. Autor: Profesor10demates. Licencia YouTube estándar. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=_yiyy_Kj76k&feature=youtu.be
Autoría del Módulo: Profesora Silvia Pedreira.
spedreira@uruguayeduca.edu.uy
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Agosto de 2017. Actualizado en Marzo de 2020.