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Curso l Física I
Autor l Lorenzo Iparraguirre
Anexo 8.1:
Conservación de la energía y Primer Principio de la
Termodinámica
La situación en la cual la energía mecánica de un sistema se conserva, es una situación
absolutamente ideal, que en el mundo macroscópico sólo se da en grados de aproximación
mayor o menor.
Es claro que no existe un principio de conservación de la energía mecánica, desde que la
expresión (8.8’), WNC = ET , prevé la posibilidad de la variación de la misma en un sistema
que puede estar totalmente aislado. En esta afirmación es importante recordar que el miembro
izquierdo de (8.8’) representa trabajo de fuerzas que a veces se denominan erróneamente
“exteriores”, pero que pueden ser perfectamente interiores. El ejemplo más simple es el de un
reloj de cuerda (de los antiguos relojes de cuerda), que funciona a expensas de cierta energía
elástica acumulada en la “cuerda”, que es un resorte espiral. Cuando un agente externo carga
esta cuerda de energía, el reloj funciona durante un tiempo, hasta que esa energía se agota. Lo
que disipa su energía mecánica son los rozamientos, total y completamente interiores.
Esto sucede en cualquier sistema mecánico aislado.
Sin embargo, una de las propiedades definitorias de la energía es su conservación. Realmente,
sí existe un Principio General de Conservación de la Energía, que se cumple en todas las
situaciones concebibles.
Este Principio no dice que se conservan las formas mecánicas de la energía, sino que se
conserva la energía en general, pudiendo desaparecer de una forma y continuar existiendo en
otra/s. La forma típica para hacer cualquier balance de energía en la vida práctica tiene que
ver con los aspectos térmicos, por eso este principio general de conservación se denomina
“Primer Principio de la Termodinámica”. Este nombre obedece al proceso en el que se
desarrollaron las ideas de energía (la Revolución Industrial), en el que se unió lo térmico con
la dinámica, en la lucha por entender y mejorar las máquinas térmicas.
Este principio tiene el siguiente enunciado muy simple, que por razones obvias sólo considera
formas térmicas y mecánicas de suministrar energía:
Primer Principio de la Termodinámica
Q + Wext = E
(A8.1.1)
En donde:
 Q es la cantidad de energía suministrada como calor, es decir por simple contacto o
proximidad con cuerpos a diferente temperatura. Q positivo significa calor transferido al
sistema por un cuerpo más caliente, y a la inversa, Q negativo significa calor transferido
por el sistema a cuerpos más fríos.
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 Wext es el trabajo mecánico hecho por las fuerzas exteriores actuantes sobre el sistema.
Wext positivo significa energía suministrada al sistema mecánicamente, y viceversa, Wext
negativo significa energía que el sistema transfiere mecánicamente a otros sistemas.
 Finalmente E es la energía del sistema, de cualquier tipo que sea. Una cantidad que se
compone de contribuciones mecánicas, térmicas, y de todo tipo, que depende del estado del
sistema. No es posible dar una expresión general para la energía, sino expresiones
particulares para cada tipo o forma de energía. Hemos visto, en páginas anteriores,
expresiones para casos típicos simples de energías mecánicas. Hay una variedad inagotable
de posibilidades de la energía para distintos sistemas y fenómenos.
Se le pueden agregar a (A8.1.1) otros términos que contemplen el ingreso o salida de energía
del sistema en procesos de otro tipo, además de los mecánicos y térmicos, con tal de respetar
la idea fundamental de la conservación de E. Teniendo en cuenta esas posibilidades, no hay
excepciones a este principio: es un Principio.
Es muy importante entender que la energía que ingresa de una forma, no tiene por qué
almacenarse de esa forma. Así por ejemplo, en cualquier situación de movimiento con
fricción se eleva la temperatura de un sistema haciendo trabajo sobre él, sin ponerlo en
contacto con algo más caliente, es decir:
W > 0 , pero Q = 0 , y el único efecto es que se eleva la temperatura. Es decir, se suministra
energía mecánicamente, pero se almacena térmicamente
Lo mismo sucede con cualquier sistema calefactor eléctrico, al sistema entra energía eléctrica,
pero lo único que cambia en el sistema es que eleva su temperatura (es claro que no almacena
energía eléctrica).
Unidades.
Desde el momento en que se aceptan (A8.1.1) o sus variantes como referente máximo para el
tratamiento de cualquier energía, y una vez aceptada la definición de trabajo, Q y E tienen que
tener la misma unidad SI que el trabajo, o sea, J = Nm.
Ahora bien, dado que el proceso de definición de la energía obligó a juntar ideas de mecánica,
con ideas sobre el calor, que se habían desarrollado independientemente, resultó natural que la
ciencia del calor tuviera ya sus unidades, entonces hubo que determinar equivalencias entre
las mismas.
La unidad natural para cantidad de calor, la caloría, cal, que se define como la cantidad de
calor para elevar en 1ºC la temperatura de 1 g de agua (específicamente de 15,5 a 16,5 ºC), es
una unidad (no SI) de energía muy aceptada.
La equivalencia con el joule es:
1 cal  4,185 J
1 J  0,239 cal
Ejemplo desarrollado 1
Un automóvil cuya masa (incluyendo ocupantes) es de 900 kg, viaja 50 km por una ruta horizontal a
razón de 80 km/h, sufriendo una fuerza de rozamiento (esencialmente por parte del aire) de 700 N.
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a) Calcule la potencia mecánica efectiva que aplica el vehículo al piso en estas condiciones.
b) Si se supone que el motor aprovecha el 40 % del poder calorífico del combustible para producir
trabajo, y que el 20 % de ese trabajo se disipa en los rozamientos internos de los mecanismos del
vehículo sin transferirse al piso, calcule la energía total del combustible que se consume en el trayecto.
c) Si el combustible utilizado es nafta, con un poder calorífico de aproximadamente 9000 kcal/litro,
calcular la cantidad de nafta consumida.
Desarrollo.
a) El trabajo mecánico para vencer el rozamiento de 700 N, a lo largo de 50 km, es F d  3500104 J =
35 MJ. Como el tiempo demorado es t = 50/80 = 0,625 h = 2250 s, la potencia mecánica resulta P 
35 MJ / 2250 s  15,5 kW (que en HP, sería aproximadamente 21 HP).
Es importante advertir que la energía cinética es irrelevante aquí, ya que si pensamos en que
apagamos el motor y dejamos que el vehículo avance a expensas de la energía almacenada, ella sólo
le alcanzaría para recorrer una muy pequeña fracción de los 50 km. Podemos corroborar esto
calculando: 80 km/h  22,2 m/s; Ec  90022,22/2 = 222 kJ  0,2 MJ, fracción despreciable de los 35
MJ que están en juego.
b) Si E es la energía total del combustible consumido, el enunciado dice que: 35 MJ  (1 – 0,2)Wmotor ,
o sea que Wmotor  35 / 0,8 = 43,75 MJ, y que esto es 0,4Ecombustible, o sea Ecombustible = 43,75/0,4  109
MJ  26103 kcal.
c) Esta cantidad de energía es la que se obtendría a partir de 26103 / 9000 = 2,9 litros de nafta.
Ejemplo desarrollado 2.
Un calefactor eléctrico de inmersión es capaz de elevar la temperatura de 2 litros de agua desde los 20
hasta los 90 ºC en 5 minutos.
a) Calcular la energía empleada en este proceso, y la potencia del calefactor.
b) Calcular la cantidad de kWh que aporta esta operación al consumo eléctrico del hogar.
Desarrollo
a) En este proceso el calefactor toma una cierta cantidad de energía eléctrica de la red domiciliaria y la
suministra como calor al agua. Sabiendo que se requiere 1 cal para elevar la temperatura de cada
gramo de agua en 1 ºC, podemos calcular que para este caso se necesitarán: Q = 1(cal/g·ºC)  m 
T = 1(cal/g·ºC)  2000 g  70 ºC = 140103 cal = 140 kcal.
Para expresar esa energía en J utilizamos la conversión 1 cal = 4,185 J, y resulta Q = E = 140 
4,185  586 kJ.
La potencia es P = E / t = 1,95 kW.
b) El kWh es unidad de energía: 1kWh = 1 kW  3600 s = 3600 kJ; E = 586/3600 = 0,163 kWh.
También se podría calcular multiplicando la potencia en kW por el tiempo en horas: 1,95(5/60) = 0,163
kWh.
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