Download Tema 4 : Trabajo y Energía - Bienvenidos a nuestra web

IES LEOPOLDO QUEIPO.
DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA.
4º ESO
Tema 7 : Trabajo, Energía y Calor
Esquema de trabajo:
7. Trabajo. Concepto. Unidad
de medida.
8. Energía. Concepto
9. Energía Cinética
10. Energía Potencial
Gravitatoria
11. Ley de Conservación de la
Energía Mecánica.
12. Ley de Conservación de la
Energía.
13. Potencia. Concepto.
Unidad de medida.
1. Temperatura. Concepto.
Escalas de temperatura
2. Calor. Concepto.
Unidades de medida
3. Propagación del calor.
4. Dilatación en sólidos
5. Calor específico
6. Calor latente. Cambios
de estado.
1. Trabajo. Concepto. Unidad de medida.
Supongamos que aplicamos una fuerza (F) sobre un objeto de tal manera que provocamos un
desplazamiento (S) en éste, tal como se indica en la figura:
Podemos definir TRABAJO (W) como una magnitud escalar cuyo valor se determina
multiplicando el módulo de la fuerza aplicada por el desplazamiento producido:
La unidad de medida del Trabajo en el sistema internacional es el Julio (J):
Así podemos definir el Julio como el trabajo efectuado al aplicar una fuerza de 1 N y provocar
un desplazamiento de 1 m.
En ningún momento debemos confundir trabajo con esfuerzo, si no hay desplazamiento no se
realiza trabajo alguno, por mucho esfuerzo que se haga. Por ejemplo:
Este deportista, al sujetar las pesas, no realiza
trabajo alguno, solamente esfuerzo, porque no hay
desplazamiento
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Sin embargo, si la fuerza aplicada es perpendicular al desplazamiento, el trabajo realizado es
cero. Por ejemplo: En la siguiente figura, la fuerza F si realiza trabajo, pero la fuerza peso y la
fuerza normal no realizan trabajo alguno al ser perpendiculares al desplazamiento:
Consideraremos el trabajo positivo cuando la fuerza aplicada tiene la misma dirección y sentido
que el desplazamiento. Por ejemplo: el trabajo realizado al empujar una caja. Si la fuerza
coincide en dirección pero no en sentido con el desplazamiento, el trabajo tendrá signo negativo.
Por ejemplo: el trabajo efectuado por una fuerza de desplazamiento.
2. Energía. Concepto
La energía es una propiedad de los cuerpos que se manifiesta a través de distintas
transformaciones. Así el concepto de energía se relaciona con trabajo y calor. El trabajo y el
calor no son propiedades de los cuerpos pero su variación nos permite conocer el intercambio de
energía existente entre los cuerpos. Por ello, podemos definir ENERGÍA como la capacidad
que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. Por lo tanto la unidad de medida de la energía en el
sistema internacional es, también, el JULIO.
Las manifestaciones energéticas pueden tener distintos orígenes, por lo que podemos hablar de
distintos tipos de energía. En este tema centraremos el estudio desde el punto de vista mecánico,
así hablaremos de Energía Cinética, Energía Potencial Gravitatoria y Energía Mecánica.
También analizaremos las manifestaciones energéticas en forma de calor
3. Energía Cinética: Concepto
La Energía Cinética (Ec) es una magnitud escalar que expresa la energía puesta en juego por un
objeto debido a su estado de movimiento.
Masa = m
Velocidad = v
Cuando una fuerza actúa sobre un objeto y sólo varía su velocidad, el trabajo efectuado es igual
a la variación de energía cinética
W= Ec2- Ec1
W=Ec
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4. Energía Potencial gravitatoria: Concepto
La Energía Potencial Gravitatoria (Ep) es una magnitud escalar que representa la energía que
puede intercambiar un objeto debido a su posición respecto a la Tierra.
Masa = m
Altura = h
Si sobre un objeto actúa una fuerza , la estrictamente necesaria para vencer al peso, el trabajo
realizado es igual a la variación de energía potencial gravitatoria
W= Ep2- Ep1
W=Ep
La variación de la energía potencial gravitatoria depende de la diferencia de alturas entre la
posición inicial y la posición final. NUNCA dependerá del camino elegido:
5. Ley de conservación de la Energía Mecánica
Se denomina energía mecánica (Em) a la suma de las energías cinética y potencial gravitatoria
asociada a un cuerpo.
La ley de la conservación de la energía mecánica afirma que en aquella transformación en la
que la única fuerza que actúa sobre el objeto es el peso, la energía mecánica permanece
constante
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Em1 = Em2 = Em3
Ec1+Ep1 = Ec2+Ep2 = Ec3 + Ep3
6. Ley de conservación de la Energía
En la realidad resulta imposible que solamente actúe la fuerza peso sobre un cuerpo. A estas
fuerzas las reuniremos bajo un mismo nombre: Fuerzas Exteriores. Por ejemplo: fuerza de
rozamiento. La actuación de estas fuerzas supone una variación de Em, que será igual al trabajo
efectuado por las fueras exteriores sobre el cuerpo.
Wfext =Em
Wfext = Em2 –Em1
Observa como el
balón pierde Em
tras cada bote .
La energía se
disipa en forma
de calor
El principio de conservación de la energía pone de manifiesto que la energía total permanece
constante, es decir, la suma de la energía disipada más la Em restante en nuestro objeto es
constante
7. Potencia. Concepto. Unidad de medida
La potencia es una magnitud escalar que relaciona el trabajo efectuado con el tiempo invertido
en realizar dicho trabajo.
La unidad de medida de la potencia en el S.I. es el vatio (w):
El vatio se define como la potencia resultante de efectuar un trabajo de 1J en 1s
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Otra unidad de Potencia bastante usada es el Caballo de Vapor (C.V.), la equivalencia con el
vatio es la siguiente:
1 CV = 735 w
Si un cuerpo de mueve con una velocidad constante, la fuerza que hace su motor es la necesaria
para vencer el rozamiento y su potencia se puede expresar:
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8. Temperatura. Concepto. Escalas de temperatura
De acuerdo con la Teoría Cinética, la materia se encuentra formada por millones y millones de
partículas que están en continuo movimiento al azar. Así podemos entender la Temperatura
como aquella magnitud que nos informa del grado de agitación de las partículas de un objeto, o
mejor dicho, la temperatura (T) de un objeto se define como el valor medio de la energía
cinética de las partículas que lo constituyen .
Modelo cinético de la materia
Tb > Ta debido a la mayor Ec de sus partículas
ESCALAS DE TEMPERATURA
En el S.I. se utiliza la escala Kelvin , que indica la temperatura con la letra T, el grado kelvin
viene representado con la letra K, sin embargo la escala más utilizada en la vida cotidiana , es la
escala centígrada o Celsius, el grado centígrado se representa ºC, la equivalencia entre ambas
escalas es bastante sencilla:
T K = t ºC + 273
Otra escala, de uso en países anglosajones, es la escala Fahrenheit. (ºF). La equivalencia entre
ambas:
9. Calor. Concepto. Unidades de medida
El calor es una manifestación de energía. Podemos definir calor como la energía que se
intercambia entre dos cuerpos como consecuencia de una diferencia de temperatura. El calor se
representa con la letra Q
Al ser Energía, la unidad de medida del Calor en el S.I. es el Julio (J) aunque también, resulta
habitual usar la caloría (cal).
1 cal = 4,18 J
El calor fluye del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura hasta que ambos se
encuentren a la misma temperatura, en ese instante diremos que se ha alcanzado un
EQUILIBRIO TÉRMICO y la temperatura alcanzada se denomina TEMPERATURA DE
EQUILIBRIO. La temperatura de equilibrio estará comprendida entre las dos temperaturas de
partida.
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EJEMPLO DE EQULIBRIO TÉRMICO
10. Propagación del calor.
La transmisión de calor de un cuerpo a otro puede llevarse a cabo por estos tres mecanismos:
Conducción: Es un mecanismo de transporte de calor que no utiliza un transporte de materia.
Es propio de los sólidos, especialmente de los metales
Convección: En este mecanismo no sólo hay transmisión de calor sino también transporte de
materia. Es propio de gases y líquidos
Radiación: Es un mecanismo que no necesita un medio de propagación para el calor como los
dos métodos anteriores. En la radiación el calor se transmite mediante ondas electromagnéticas
tal y como hace llegar el Sol su calor a la Tierra. Todos los cuerpos calientes emiten radiaciones
electromagnéticas
Conducción
Imagen tomada con radiación infrarroja
Convección
11. Dilatación en sólidos
Uno de los efectos más notables que provoca el calor en los cuerpos es el fenómeno de la
dilatación. Al calentar un cuerpo, se le comunica una mayor energía a sus partículas,
aumentando su velocidad, su energía cinética y por lo tanto su temperatura. Así , sus partículas
vibran con mayor amplitud y el sólido se expande en todas las direcciones. En este curso, nos
vamos a centrar solamente en el aumento de la longitud, fenómeno conocido como Dilatación
lineal.
La dilatación lineal depende la longitud inicial, de la variación de temperatura y del coeficiente
de dilatación lineal (). La expresión que nos permite calcularla es la siguiente:
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L = Lo (1+ T)
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L = longitud final
Lo = longitud inicial
coef. Dilatación lineal
T = Variación de Temperatura
El coeficiente de dilatación lineal () es propio de cada sustancia , su unidad en el S.I. es K -1 y
se define como la variación que experimenta la longitud de una barra de una sustancia, por
unidad de longitud, cuando la temperatura se modifica un grado kelvin.
12. Calor específico
La cantidad de calor intercambiada por un objeto, sin cambio de
estado, depende de la masa del objeto, de la diferencia de temperatura
y de una magnitud característica de cada sustancia que recibe el
nombre de Calor Específico (Ce). Así podemos escribir que la
cantidad de calor intercambiada por un objeto es:
Q = m· Ce· T  Q = m· Ce ( Tf – Ti)
El calor específico de una sustancia se define como la cantidad de
calor que intercambia un kilogramo de esa sustancia para que su
temperatura se modifique en un grado kelvin. La uidad de medida del
calor específico en el S.I. es :
Gracias a la expresión anterior y al principio de conservación de la
energía podemos estudiar aquellos casos en los que ponemos en
contactos dos cuerpos a distinta temperatura, donde el calor cedido
(Qc) por el de mayor temperatura será igual pero de signo contrario
que el calor ganado (Qg) por el de menor temperatura:
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Sustancia Ce J/kg·K
Agua
4180
Hielo
2090
Acero
460
Aluminio
880
Cobre
390
Estaño
230
Hierro
450
Mercurio
138
Oro
130
Plata
235
Plomo
130
Sodio
1300
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13. Calor latente: cambios de estado
No siempre, la absorción o pérdida de energía en forma de calor por parte de un cuerpo
significará un aumento o un descenso de su temperatura. En ocasiones, este calor lo invierte el
cuerpo en cambiar de estado, proceso que ocurre siempre a temperatura constante.
Se denomina calor latente (L) al calor intercambiado por un kilogramo de una sustancia al
cambiar de estado. Su unidad en el S.I. es el J/kg.
Q = m·L
Esta cantidad de calor la invierte en aumentar o disminuir la atracción entre sus partículas lo que
permite el cambio de estado en un sentido u otro
Dependiendo del cambio de estado que se efectúe podemos hablar de calor latente de
sublimación (Ls), calor latente de vaporización (Lv) ...etc.
Tabla de calor latente de algunas sustancias de interés
Sustancia
T fusión
ºC
Lf ·103 (J/kg)
T ebullición
ºC
Lv ·103 (J/kg)
Hielo (agua)
0
334
100
2260
Alcohol
etílico
-114
105
78.3
846
Acetona
-94.3
96
56.2
524
Benceno
5.5
127
80.2
396
Aluminio
658.7
322-394
2300
9220
Estaño
231.9
59
2270
3020
Hierro
1530
293
3050
6300
Cobre
1083
214
2360
5410
Mercurio
-38.9
11.73
356.7
285
Plomo
327.3
22.5
1750
880
Potasio
64
60.8
760
2080
Sodio
98
113
883
4220
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PROBLEMAS DE ENERGÍA
1.- Indica qué trabajo se realiza cuando:
A. Una fuerza de 6N desplaza un objeto 3 m.
B. Una fuerza de 10N desplaza un objeto 10 mm.
2.- Una fuerza de 10N actúa sobre un cuerpo que se desplaza a lo largo de un plano horizontal
en la misma dirección del movimiento. Si el cuerpo se desplaza 25 m. ¿Cuál es el trabajo
realizado por la fuerza?
3.- Calcula la energía cinética de un cuerpo de 10 kg si su velocidad es de 4 m/s.
4.- Una pelota de 0,5 kg de masa posee una energía cinética de 100 J. ¿cuál es la velocidad de
la pelota?
5.- Un coche recorre 2 Km por una carretera. La variación de Ec = 20000 J. ¿Qué trabajo ha
realizado el motor? .
6.- Un cajón de 20 kg de masa es elevado de la primera planta de un edificio de 10 m de altura,
a la cuarta planta de 50 m de altura. Calcula la variación de Energía potencial gravitatoria.
7.- Se lanza verticalmente hacia arriba una pelota de tenis con una velocidad de 15 m/s.
Calcula :
A. La altura máxima que alcanza
B. La altura en la que la pelota presenta una velocidad de 2 m/s.
8.- Desde lo alto un plano inclinado de 12 m de longitud y 6 m de altura se desliza un objeto de
2 kg de masa que inicialmente estaba en reposo. Calcula:
A. la velocidad del objeto cuando llega a la base del plano
B. la velocidad del objeto cuando llega a la base del plano si suponemos que la fuerza de
rozamiento es de 4N.
9.- En lo alto de una montaña rusa está situado un coche de 200 kg de masa en el que se
encuentran dos personas de 75 kg cada una. El coche se pone en marcha desde el reposo
haciendo el recorrido de A a C sin rozamiento. A partir de C actúa el rozamiento y detiene al
coche en D. Calcula:
A. La velocidad del coche en B y C.
B. La distancia de frenado si la fuerza de rozamiento es de 20 N.
10.- Calcula el trabajo realizado por un gato de 50N de peso al trepar a un árbol de 3 m de
altura. ¿ Qué potencia realiza el gato si tarda en trepar el árbol 2s?.
11.- ¿Cuál es la potencia de una máquina que permite subir una masa de 40 Kg a una altura
de 12 m en 20 s? ¿ En cuanto tiempo desarrollaría el mismo trabajo una máquina de 15 w?
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PROBLEMAS DE CALOR Y TEMPERATURA
1.- Expresa la temperatura de 36,5ºC en ºF y ºK.
2.- El coeficiente de dilatación lineal del aluminio es de 2,4·10-5 K-1 Si se tiene una barra de
aluminio que mide 1 m de longitud un día en el que la temperatura ambiente es de 20ºC,
determina su longitud a una temperatura de –10ºC y a una temperatura de 40ºC.
3.- Una viga de hierro, de coeficiente de dilatación lineal 1,2·10-5 C-1 mide 5 m un día de
invierno a –10ªC. Detarmina la temperatura de un día de verano cuando la longitud de la barra
es de 5,0024 m.
4.- Determina la cantidad de calor que hay que comunicar a 60 g de cobre para elevar su
temperarura de 20ºC a 80ºC.
5.- En un recipiente aislado que contiene 1L de agua a una temperatura de 15ºC, se introduce
una esfera de hierro de 100g que se encuentra a 100ºC, calcula la temperatura final alcanzada
por el sistema. Ce(hierro) = 460 J/Kg·K.
6.- En un calorímetro que contiene 100g de agua a 6ºC se introduce una pieza metálica de 700
g de masa a una temperatura de 95ºC, si la temperatura de equilibrio es de 22ºC, calcula el
calor específico de dicho metal.
7.- Calcula la cantidad de calor que hay que aplicar a 500 g de hielo a 0ºC para que se funda.
Lf agua= 3,34·105 J/kg.
8.- Hallar el calor necesario para transformar 200 g de hielo a una temperatura de -15ºC, en
agua líquida a una temperatura de 20 ºC. Los datos que te hacen falta los puedes encontrar en
las páginas 148 y 149 del libro de texto.
9.- Hallar la cantidad de calor necesaria para transformar 500 g de hielo a –30º C, en vapor de
agua a 130ºC.
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