Trabajo y energía

1. ESQUEMA INICIO INTERNET PARA EMPEZAR ESQUEMA INTERNET ANTERIOR SALIR 5 Trabajo y energía

2. ESQUEMA INICIO INTERNET ANTERIOR SALIR Esquema de contenidos La energía Fuentes de energía Clasificación de las fuentes de energía Tipos de energía Aprovechamiento de los combustibles fósiles Propiedades de la energía Aprovechamiento de la energía nuclear Aprovechamiento de la energía hidráulica El trabajo Aprovechamiento de la energía eólica ¿Qué es el trabajo? Aprovechamiento de la energía solar térmica La fuerza de rozamiento Aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica El trabajo modifica la energía Ciclo de la energía Potencia Consumo de energía a lo largo de la historia Las máquinas mecánicas Producción de energía en Europa Producción de energía en España Consumo de energía en España

3. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR A ANTERIOR SALIR Para empezar, experimenta y piensa Energía potencial Energía cinética Dejamos caer dos bolas, una de hierro y otra de madera desde la misma altura. Las bolas caen a la vez. Arcilla blanda Dejamos caer la bola desde la posición A. Si con un cuentagotas vamos rellenando de agua las huellas de cada impacto… ¿Qué huella contendrá más gotas? ¿Destruirá la construcción?

4. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Energía mecánica Energía cinética (EC).Es la energía que tienen los cuerpos por el hecho de estar en movimiento. Su valor depende de la masa del cuerpo (m) y de su velocidad (v): EC =1/2 m·v2 Es la energía que está ligada a la posición o al movimiento de los cuerpos. Existen dos tipos de energía mecánica. La energía mecánica (Em) de un cuerpo es la suma de sus energías cinética y potencial. EM = EC + EP Energía potencial gravitatoria. Es la energía que tienen los cuerpos por estar en un lugar determinado sobre el suelo terrestre. Su valor depende de la masa del cuerpo (m), del valor de g en ese lugar y de la altitud a la que se encuentre sobre la superficie de la Tierra (h). EP = m⋅ g ⋅ h Energía potencial (EP). Es la energía que tienen los cuerpos por ocupar una determinada posición. Energía potencial elástica. Es la energía que tienen los cuerpos que sufren una deformación. Su valor depende la constante de elasticidad del cuerpo, k, y de la deformación (Δx): EE = 1/2 k·(Δx)2 Es la energía que se transfiere cuando se ponen en contactodoscuerpos que están a distinta temperatura. Energía térmica Es la energía debida a los enlaces que se establecen entre los átomos y demás partículas que forman una sustancia. Energía química Es la energía que emiten los átomos cuando sus núcleos se rompen (energía de fisión) o se unen (energía de fusión). Energía nuclear Es la energía que se propaga mediante ondas electromagnéticas, como la luz. Son ejemplo de energía radiante la energía solar, las microondas, los rayos X, etc. Energía radiante ANTERIOR SALIR Tipos de energía La energía es una propiedad de los cuerpos o de los sistemas materiales que les permite producir transformaciones físicas o químicas en ellos mismos o en otros cuerpos.

5. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Propiedades de la energía La energía se transfiere La energía se puede almacenar y transportar La energía eléctrica se transporta por el tendido eléctrico. Una cocina transfiere energía térmica a la paellera. Las pilas almacenan energía. La energía se transforma La energía se degrada Cuando la chica cae, su energía potencial se transforma en cinética. Calor En los botes, parte de la energía se transforma en calor. Se degrada porque no puede ser utilizada de manera útil. En cada transformación, la cantidad total de energía se conserva. La energía se conserva

6. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Clasificación de las fuentes de energía Fuente de energía Renovable No renovable Limpia Contaminante Alternativa Convencional Geotérmica Biomasa Biocombustibles

7. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Química Térmica Vapor de agua Cinética Agua Eléctrica 1 1 2 3 3 2 ANTERIOR SALIR Aprovechamiento de los combustibles fósiles Salida de residuos gaseosos. La energía obtenida en la combustión se emplea en calentar agua. El vapor hace mover la turbina. Entrada de combustible El movimiento de la turbina se transmite a un generador que produce la corriente eléctrica.

8. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Química Térmica Cinética Eléctrica 1 3 2 3 1 2 ANTERIOR SALIR Aprovechamiento de la energía nuclear Moderador. Es un material cuya función es mantener la reacción en cadena Turbinas. El agua se evapora y mueve las turbinas. Generador. El movimiento de la turbina se transmite a un generador que produce la corriente eléctrica Combustible. Suele ser óxido de uranio. Núcleo del reactor. Es la zona donde se encuentra el combustible.

9. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Potencial Cinética Eléctrica 1 2 1 2 ANTERIOR SALIR Aprovechamiento de la energía hidráulica Embalse. Se construye en la parte superior del río. El generador transforma esta energía mecánica en electricidad de bajo voltaje. Turbina. Gira debido al paso del agua

10. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Cinética Eléctrica 1 1 ANTERIOR SALIR Aprovechamiento de la energía eólica El generador es el dispositivo que transforma el movimiento de giro del multiplicador (a alta velocidad) en electricidad. El rotor es el elemento que convierte la energía del viento en energía mecánica.

11. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Radiante Térmica Eléctrica 1 2 1 2 ANTERIOR SALIR Aprovechamiento de la energía solar térmica El vapor mueve la turbina. Los heliostatos. Concentran la radiación solar sobre una tubería. La turbina está conectada a un generador que transforma la energía mecánica en electricidad a bajo voltaje.

12. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Radiante Eléctrica 1 1 ANTERIOR SALIR Aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica Los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el panel solar y producen un efecto fotoeléctrico. La luz incide sobre los electrones del panel y los pone en movimiento: se genera corriente eléctrica. El silicio es el principal componente de los paneles solares fotovoltaicos.

13. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Ciclo de la energía Las células fotoeléctricas transforman la luz en electricidad. Los rayos solares calientan la atmósfera y evaporan mares y ríos. Las plantas alimentan a animales y personas. Fotosíntesis Los rayos solares calientan la atmósfera y producen los vientos Los animales alimentan a las personas. Los restos fósiles de algunos animales marinos forman petróleo. Lluvias Los restos fósiles de plantas forman carbón mineral. Las centrales eólicas aprovechan la energía del viento para producir electricidad. Utilización de carbón en las fábricas Fabricación de pilas Los vehículos funcionan con derivados del petróleo. Utilización de petróleo en las fábricas Las pilas producen electricidad. Utilización de petróleo en las centrales térmicas El agua de las presas mueve los generadores y se obtiene energía eléctrica. Las centrales térmicas producen electricidad a partir de un combustible.

14. CLIC PARA CONTINUAR Masa Energía cinética Velocidad Energía cinética Ec • Es la energía asociada con el estado de movimiento de un cuerpo (sistema material). • Es una magnitud escalar con las mismas unidades que el trabajo. • Para un cuerpo (sistema material) de masa m que se mueve con una velocidad v la energía cinética es: • La unidad de energía cinética es: 1 Julio = 1 kg · m2 / s2 • El trabajo está relacionado con la energía cinética.

15. CLIC PARA CONTINUAR Masa altura Energía potencial Aceleración gravedad Energía potencial gravitatoria Ep • Es la energía almacenada en un cuerpo (sistema material) en virtud de su posición con respecto a la superficie de la Tierra (nivel cero de referencia). • Es una magnitud escalar que nos da una medida del potencial o posibilidad de efectuar trabajo (con sus mismas unidades). • Para un cuerpo (sistema material) de masa m que se encuentra a una altura h la energía potencial es: • La unidad de energía potencial es: 1 Julio = 1 kg · m2 / s2 • El trabajo está relacionado con la energía potencial.

16. CLIC PARA CONTINUAR Energía mecánica Em • La energía mecánicaEm de un cuerpo (sistema material) es la suma de su energía cinética, debida al movimiento, Ec, y de su energía potencial, Ep, debida a su posición. • La unidad de energía mecánica es: 1 Julio = 1 kg · m2 / s2 • El trabajo está relacionado con la energía mecánica.

17. CLIC PARA CONTINUAR Conservación de la energía mecánica • Principio de conservación de la energía mecánica: Si sobre un cuerpo no actúan fuerzas que disipen o aumenten su energía, su energía mecánica se conserva, es decir, permanece constante, aunque se produzca la conversión de energía cinética en energía potencial y viceversa. • El principio de conservación de la energía mecánica es muy utilizado para resolver problema reales, para ello hay que tener en cuenta las dos siguientes consideraciones: • Comprobamos que el sistema cumple las condiciones del principio (no actúan fuerzas que disipan o aumentan la energía). • Calculamos laEm antes y despuésdel proceso e igualamos sus valores.

18. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Desde una altura de 5 m sobre el suelo se deja caer una pelota de 100 g. Aplicando el principio de conservación de la energía mecánica, calcula la velocidad de la pelota cuando se encuentra a las alturas de 3 m y 1 m antes de chocar contra el suelo. Ejemplo Principio conservación de la energía mecánica # Para contestar al ejercicio observa la animación del primer desplazamiento. A 5 m Si elegimos el suelo, h = 0, como nivel de referencia, para la energía potencial gravitatoria, Ep(suelo)= 0, se cumplirá: Em(A) = Em(B); mghA = mghB + ½ mvB2; vB2 = 2g(hA-hB); vB2 = 19,6·(5-3) = 39,2; vB = 6,3 m/s. B 3 m C 1 m # Observa la animación del segundo desplazamiento. De manera análoga, Em(A) = Em(C); mghA = mghC + ½ mvC2; vC2 = 2g(hA-hC); vC2 = 19,6·(5-1) = 78,4; vC = 8,9 m/s

19. CLIC PARA CONTINUAR ¿Qué es el trabajo? ¿TRABAJO? La idea general y frecuente que se tiene del trabajo es muy amplio. Se asocia al hecho de realizar alguna tarea o cumplir con un cierto rol. Incluso se relaciona con toda actividad que provoca cansancio. En física, sin embargo, el concepto de trabajo es mucho más restringido, más específico. En física se dice que una fuerza realiza trabajo cuando es capaz de desplazar un cuerpo. Aquí encontramos dos conceptos esenciales para el trabajo mecánico, según la física; la fuerza y el desplazamiento. F F F El motor realiza trabajo mecánico. La fuerza que aplica es capaz de mover el auto.

20. x ¿Qué es el trabajo? • Una fuerza realiza trabajo mecánico cuando al actuar sobre un cuerpo, lo mueve. • El trabajo que realiza una fuerza constante F, que actúa sobre un objeto es el producto de la componente de la fuerza a lo largo del movimiento del objeto por la magnitud (valor) del desplazamiento. • Si la fuerza forma un ángulo  con el desplazamiento x, el trabajo realizado por F es: F F sen   F cos  Unidad de medida en el SI: newton · metro = joule 1 N · m = 1 J 20

21. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Desplazamiento Peso α → α FX → → → → FX FX F F W = F · cosα · x = Fx · x Fx ANTERIOR SALIR El trabajo, W, que una fuerza constante realiza sobre un cuerpo (sistema) se define como el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento por el desplazamiento. ¿Qué es el trabajo? El trabajo es la energía que se transfiere de un cuerpo (o sistema) a otro por medio de una fuerza que provoca un desplazamiento. En el SI se mide en julios (J). Faplicada El chico hace un gran esfuerzo con la mochila, pero no realiza ningún trabajo. El chico que arrastra la mochila, si realiza un trabajo, pues aplica una fuerza que provoca el desplazamiento de la mochila. Faplicada Peso

22. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Criterio de signos para el trabajo • El trabajo puede se positivo, negativo o cero dependiendo del ángulo que forman la fuerza y el desplazamiento. • El signo del trabajo depende de la dirección relativa entre la fuerza y el desplazamiento: • El trabajo es positivo cuando la componente de la fuerza F y el desplazamiento tienen el mismo sentido. • El trabajo es negativo cuando la componente de la fuerzaF y el desplazamiento tienen sentidos opuestos.

23. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR → Froz → → → N F P ANTERIOR SALIR La fuerza de rozamiento El trabajo de la fuerza de rozamiento siempre es negativo, pues la fuerza de rozamiento siempre se opone al movimiento. Wroz = F roz· x · cos 180º = - Froz·x

24. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR PLANO INCLINADO PALANCA < d1 S1 d1 d2 h h α α S2 d2 → → → → → → F2 F1 F1 F2 F2 F1 ANTERIOR SALIR Las máquinas mecánicas • Las máquinas son dispositivos diseñados para vencer una fuerza (resistencia) mediante la aplicación de otra fuerza (potencia), generalmente inferior. • Transforman una energía o un trabajo en otro que resulte más provechoso. En una máquina ideal (que no existe) se cumple el siguiente principio: el trabajo resistente Wr (realizado por la resistencia) es del mismo valor y de signo contrario al trabajo motor Wm(realizado por la potencia). Se llama rendimiento de una máquina (η) a la relación entre el trabajo útil que se obtiene y el trabajo aplicado o trabajo motor.

25. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR La palanca • Una palanca es un cuerpo rígido (barra), que se apoya sobre un punto fijo, llamado fulcro. • La condición de equilibrio exige que el producto de la fuerza (potencia) por su distancia al fulcro sea igual que el producto de la fuerza (resistencia) por su distancia también al fulcro, es la fórmula de la ley de la palanca: F1 · l1 = F2 · l2 • El fulcro está situado entre la Potencia (F1) y la Resistencia (F2). Ejemplos: balancín y tijeras. • La Resistencia (F2) se aplica entre el fulcro y la Potencia (F1). Ejemplos: carretilla y cascanueces. • La Potencia (F1) se aplica entre el fulcro y la Resistencia (F2). Ejemplo: las pinzas.

26. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Las máquinas mecánicas • En la polea ideal sin rozamiento la potencia y la resistencia son iguales. La ventaja de su uso radica en que podemos subir los cuerpos con mayor facilidad. La fuerza que debemos ejercer es la misma que si los subimos directamente • FP = FR

27. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Relación entre trabajo y energía • Cuando un sistema realiza trabajo sobre otro, se transfiere energía entre ambos: el sistema que realiza trabajo pierde parte de su energía, que pasa al sistema sobre el cual se realiza ese trabajoincrementando así su energía.

28. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR h1 h2 → → → → → F F F P P ANTERIOR SALIR Relación entre trabajo y energía Trabajo / Energía potencial Trabajo / Energía cinética Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza vertical que le hace desplazarse en esa misma dirección con velocidad constante, el trabajo desarrollado coincide con la variación de energía potencial que experimenta el cuerpo. W = ∆EP Cuando sobre un cuerpo actúa un fuerza que le provoca un desplazamiento en su misma dirección, el trabajo desarrollado coincide con la variación de energía cinética que experimenta el cuerpo. WF = ∆EC Trabajo / Energía mecánica Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza que provoca cambios en su velocidad y en su posición, el trabajo de esa fuerza es igual a la variación de energía mecánica que experimenta el cuerpo. WF = ∆Em = ∆Ec + ∆Ep

29. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Δx ΣFx m vi vf Dado que la expresión ½ m·v2representa la “energía cinética” (Ec), ANTERIOR SALIR Relación entre trabajo y energía cinética. TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS El trabajo realizado sobre un cuerpo o sistema se invierte en aumentar su energía cinética (si no incrementa su energía en otras formas). Para una ΣFx cte: W = ΣFx · Δx W = (m.a) ·Δx “El trabajo realizado por una ΣFx es igual a la ΔEc del cuerpo (sistema material), cuando solo provoca variación en su velocidad.”

30. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR mg - mg Dh mg hf - mg hi Dado que la expresión m·g·hrepresenta la “energía potencial” (Ep), Trabajo realizado al elevar un cuerpo. ANTERIOR SALIR Relación entre trabajo y energía potencial En ocasiones el trabajo realizado sobre un sistema se utiliza para y incrementar la energía potencial. Como, por ejemplo, al elevar un cuerpo. Como en el caso de la energía cinética, existe una relación entre el trabajo y la energía potencial W = ΣFx · Δx = p · Δh = m · g · Δh W = m · g · (hf – hi ) = m · g · hf – m · g · hi W = m · g · hf – m · g · hi “El trabajo realizado por la fuerza ejercida para vencer el peso ΣF = m · g es igual a la ΔEp del cuerpo (sistema material)”

31. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Relación entre trabajo y la conservación de la energía mecánica En el caso más general, el trabajo realizado sobre un sistema se invierte en aumentar la energía cinética y la energía energía potencial. Como, por ejemplo, al despegar un avión. • Combinando: • Teorema de las fuerzas vivas • Relación entre trabajo y energía potencial Llegamos a la siguiente expresión: W = ΔEc + ΔEp = ΔEm El trabajo mecánico realizado por el motor del avión durante le despegue sirve para aumentar la energía mecánica. El avión sube (Ep) y también adquiere mayor velocidad (Ec). “El trabajo realizado sobre un cuerpo (sistema material) se invierte en aumentar su energía mecánica, ΔEm, suma de cinética y potencial ” CONSECUENCIA IMPORTANTE: Si el trabajo vale cero (ΣFx = 0, Δx = 0, ΣFx┴Δx), la variación de energía mecánica es cero, lo que significa que se conserva, y que la suma de Ec y Ep vale lo mismo en cada punto. (Principio de conservación de la energía mecánica).

32. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR Alimento Uso doméstico y servicios Industria y agricultura Transporte ANTERIOR SALIR Consumo de energía a lo largo de la historia Hombre actual Hombre industrial (XVIII - primera mitad del XX) Hombre preindustrial (hasta el siglo XVIII) Hombre agricultor y sedentario (10000 a.C.) Uso del arco y del fuego (40000 a.C.) Homo sapiens (150000 a.C.)

33. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR % 40 35 30 25 20 15 10 5 0 ANTERIOR SALIR Producción de energía en Europa 30,3 % 25,2 % 19,6 % 12,1 % 12,8 % Energía nuclear Petróleo y derivados Gas natural Energías renovables Carbón

34. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Producción de energía en España Año 2006 Carbón Otras renovables Petróleo 19,5% 23,9% 0,4% Gas natural 0,2% Hidráulica 16,9% 49,0% Nuclear

35. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR ANTERIOR SALIR Consumo de energía en España Carbón Energías renovables Año 2006 Petróleo y derivados 3,9% 2,1% Electricidad 20,4% 57,8% 15,8% Gas

36. ESQUEMA INICIO INTERNET CLIC PARA CONTINUAR W F · x P = = = F · v t t ANTERIOR SALIR Potencia A partir de la potencia se define una unidad de energía muy utilizada: kilovatio-hora (kWh). 1kWh = 1000 W · 3600 s = 3,6 · 106 J La potencia (P) relaciona el trabajo realizado con el tiempo que se emplea en ello: Ρ= W / t ; Ρ= E / t ; En el SI la potencia se mide en vatios (W). Otra unidad de potencia muy utilizada, sobretodo en los países anglosajones, es el “caballo de vapor” CV o HP, su relación con el vatio es la siguiente: 1 CV = 735 W Potencia y velocidad La potencia sirve para cuantificar la rapidez de los intercambios de energía. Una potencia grande significa que se realiza una gran cantidad de trabajo en poco tiempo. Potencias típicas de algunas máquinas.

37. ESQUEMA INICIO INTERNET Energía Trabajo, potencia y energía IR A ESTA WEB IR A ESTA WEB ANTERIOR SALIR Enlaces de interés