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TEMA IV: ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR
1.- SOMOS ENERGÍA.El término energía se usa cotidianamente con significados diversos:
- Se confunde con fuerza, concepto con el que está relacionado.
- Se asocia solamente a los seres vivos.
- Se concibe como algo material, que podemos tocar.
- Se asocia al movimiento y a la actividad.
- Se plantea como objeto de gasto y consumo.
Como primera aproximación diremos que la energía es una cualidad de la
materia que le permite producir cambios en ella misma y en otras.
Son características de la energía:

El que los cuerpos la posean, al igual que su masa o su volumen. Esta
característica la diferencia de la fuerza.

Que se pueda transportar, con o sin materia.

Que se presente en distintas formas.

Que se transforme de unas en otras.

Que pueda pasar de unos cuerpos a otros.

Que se conserve en cualquier proceso.

Que en unas formas de presentarse sea más aprovechable que en otras.
La energía es una magnitud de difícil definición, pero de gran utilidad.
Para ser exactos, podríamos decir que más que de “energía” (en sentido general),
deberíamos hablar de distintos tipos de energías, cada una de ellas definida
convenientemente.
De forma general podríamos decir:
 Es necesario transferir (dar o quitar) algún tipo de energía a un sistema para que
se produzcan cambios en el mismo.
 Todo sistema que tenga capacidad para producir cambios, tiene energía de alguna
clase.
2.- FORMAS DE PRESENTARSE LA ENERGÍA.La energía se puede presentar de multitud de formas, en general podemos
encontrarla:

Energía Interna- La cuál englobaría a su vez a dos tipos de energías: ENERGÍA
QUÍMICA, relacionada con la constitución de la materia y que se obtiene en todo
proceso químico, (que como recordaremos eran aquellos procesos en los que se
cambia la naturaleza de las sustancias, obteniendo otras nuevas).Y ENERGÍA
TÉRMICA, relacionada con la temperatura de los cuerpos. Así 1 kg de gasolina
puede darnos más energía que 1 kg de madera. De la misma forma 1 litro de agua a
80 ºC puede darnos más energía que si el agua está a 20 ºC.
1

Energía Atómica.- Caso particular de la anterior, pero cuando las
transformaciones tienen lugar en el núcleo del átomo, rompiéndose éstos y creando
nuevos átomos; por todo ello, se libera muchísima energía.

Energía Solar.- Es la energía que proviene directamente del Sol, debido a la
energía atómica que se libera en el núcleo del Sol. Es la base de las pirámides
alimenticias, es usada directamente por las plantas y la transforman en energía
química, utilizada por el resto de la pirámide.

Energía Eólica.- Es la energía que proviene del viento.

Energía Mareomotriz (maremotriz).- Es la energía debida a las mareas, al
movimiento del agua.

Energía Eléctrica.- Es una energía que se obtiene a partir de las anteriores,
como transformación de éstas. Debido a que es una forma de energía fácilmente
transformable y transportable es la más importante desde el punto de vista de su
uso y utilidad.

Energía Mecánica.- Es la energía que poseen los cuerpos en razón de su
movimiento o de su posición respecto de otro cuerpo (en general la Tierra) o de su
estado de deformación (caso de cuerpos elásticos)
1: Indica el tipo de energía que tienen los siguientes objetos:
1. Una piedra que cae hacia el suelo.
2. Un muelle contraído
3. Un trozo de material radioactivo.
4. Una pila.
5. Un fósforo encendido.
6. Una bombona de gas butano.
7. Una bombilla.
8. Un atleta en una maratón.
Helmholtz en 1847 enuncia lo que se considera una de las leyes
fundamentales de la Física: la Ley de Conservación de la Energía
La energía no se puede crear (sacar de la nada) ni destruir
(aniquilar, hacerla desaparecer). Únicamente se puede
transformar de una forma a otra.
Si queremos disponer de determinada cantidad de una forma de
energía sólo lo podremos conseguir transformando una cantidad
equivalente de otra forma de energía.
Hermann von Helmholtz.
Postdam. Alemania
(1821 – 1894)
3.- LA ENERGÍA EN MOVIMIENTO: ENERGÍA MECÁNICA
2
Hemos visto que existen muchas formas de identificar la energía, pero en este curso
nos interesa estudiar con mayor profundidad aquella que afecta o tiene que ver con los
movimientos o la posición de los cuerpos, esto es la energía mecánica.
La energía mecánica la podemos estudiar en función de su origen:

Una piedra que se mueve puede realizar una fuerza cuando choca con un cuerpo. La energía que
posee dicha piedra recibe el nombre de energía cinética o energía de movimiento.

Un ladrillo situado en la azotea de un edificio también puede realizar una fuerza cuando
cae al suelo. La energía que posee dicho ladrillo recibe el nombre de energía potencial o
energía de posición.
3: Identifica el tipo de energía mecánica que aparece en las siguientes situaciones:
1.
Un avión volando.
2.
El agua contenida en una presa.
3.
Un coche aparcado en el garaje.
4.
Un avión aterrizando.
5.
Un ventilador en funcionamiento.
3.1.- ENERGÍA POTENCIAL:
Está relacionada con la posibilidad de los cuerpos de producir cambios como
consecuencia de su posición. La Energía Potencial depende de la altura sobre el suelo a
la que se sitúe el cuerpo, siendo directamente proporcional a ésta, es decir, que al
aumentar la altura su energía potencial también aumenta. Y de la misma forma, al
aumentar el peso del cuerpo también aumenta su energía potencial..
Por todo lo dicho, podríamos escribir la expresión matemática que
nos permite calcular la energía potencial que posee un cuerpo como:
Ep  P·h , o también, de manera más usual: Ep m·g·h
La unidad S.I de energía es el julio (J) que toma el nombre de James
P. Joule, físico del siglo XIX autor de numerosos estudios sobre el
calor.
4.: Calcula
la Joule.
James Prescott
energía potencial que tiene un avión de 14000 Kg de masa cuando se encuentra a 2200
Solford.
m delInglaterra
(1818 – 1889)
suelo. Y cuando sube a 3000 m, ¿qué cantidad de energía potencial gana?.
5..- Si una cigüeña va volando con un polluelo al lado, de masa la tercera parte que ella:
a)
¿Cuántas veces será mayor la energía potencial de la cigüeña que la del polluelo?. b) Si el
polluelo fuese al triple de altura, ¿qué relación habría entre sus energías potenciales?
0
3.2.- ENERGÍA CINÉTICA:
Está relacionada con la posibilidad de los cuerpos de producir cambios como
consecuencia de su movimiento. Depende de la masa y de la velocidad y se define
1
2
·v
como: Ec  ·m
2
3
…“La mayoría de los accidentes graves son debidos al exceso de velocidad.
Con una velocidad más reducida la Energía cinética sería menor y, las
consecuencias de un choque menos dramáticas”.
6: ¿En qué unidad se medirá la energía cinética?. Dedúcela.
7: Un coche de 800 Kg de masa sale del garaje y se mueve a una aceleración constante de 2m/s 2.
Calcular la energía cinética que lleva al cabo de 10 s. ¿Cuál era su energía cinética cuando se
encontraba en el garaje? ¿Qué energía cinética tendría si su velocidad fuese de 90 Km/h?.
8: Lanzas verticalmente hacia arriba una pelota de 100 g de masa. Cuando se encuentra a 30 m
del suelo, su velocidad es de 5 m/s. a) ¿Cuánto vale su energía cinética a 30 m del suelo?. b)
¿Cuánto vale su energía mecánica a dicha altura?.
Como acabamos de ver la ENERGÍA MECÁNICA es la suma de las Energías
Cinética y Potencial:
E
M E
CE
P
9: Un cuerpo de 4 Kg está en reposo a 10 m de altura del suelo. a) ¿Cuál es su energía
potencial?. b) Si lo dejamos caer en el vacío. ¿Cuál será su energía cinética al llegar al suelo?.
c) Al caer, cuando ha recorrido 5 m, ¿Cuánto vale su energía potencial?. ¿Y su energía
cinética?. d) Dados los resultados obtenidos en los apartados anteriores, ¿llegas a alguna
conclusión?.
Como podemos ver la energía
potencial se transforma en energía
cinética, y viceversa; en consecuencia la
energía mecánica se conserva.
Em
Em
A
B
10.- Se lanza un piedra de 300 g de masa desde un puente de 10 m de altura sobre un río. Sale
con una velocidad de 8 m/s hacia abajo. Calcula: a) La energía mecánica con la que arranca. b)
La energía mecánica con la que llega al suelo. c) La energía mecánica que lleva a los 5 m.
11.- Si se deja caer una piedra de 500 g desde una altura de 3 m, ¿Con qué velocidad llega al
suelo si toda la energía potencial se ha transformado en cinética?
12.- Un objeto de 2kg posee una energía potencial respecto del suelo de 400J.a) ¿A qué altura se
encuentra? b) ¿Con qué energía cinética llega al suelo? c) ¿Con qué velocidad llega al suelo?
13.- Un objeto de 5kg tiene una energía cinética de 250J. Este objeto se mueve con una
velocidad de:
a) 5m/s
b) 10m/s
c) 250m/s
d) 1250m/s
14.- Un objeto que pesa 15 N se deja caer desde una altura de 8m. Este objeto llega al suelo
con una energía cinética de: a) 8J
b) 15J
c) 120J
d) 1176J
4
15.- Ordena de mayor a menor la energía potencial de los siguientes cuerpos:
.16.- ¿Qué objeto tiene mayor energía cinética?
17.- Dejamos caer un ladrillo de 200g de masa desde una altura de 25m Aplicando el principio
de conservación de la energía mecánica, calcula la energía cinética y la energía potencial en los
siguientes casos: a) En el punto de partida. b) Cuando se encuentra a 10m del suelo. c) Cuando
llega al suelo.
18- Calcula, utilizando el principio de conservación de la energía mecánica, la altura máxima
alcanzada por una piedra que se lanza verticalmente hacia arriba con una velocidad de 5m/s.
¿Cuál es su velocidad en la mitad de su recorrido?
4.- MEDIDA DE LA RAPIDEZ CON QUE SE TRANSFIERE LA ENERGÍA. POTENCIA
En muchas ocasiones no sólo importa la energía necesaria para realizar una
transformación sino que también es muy importante el tiempo que se tarda en llevarla
a cabo. Para considerar ambos factores se introduce una nueva magnitud, la Potencia.
Ésta se define como la energía transferida por unidad de tiempo en una
transformación.
EnergíaTra
nsferida
Potencia

tiempo
19- Quieres calentar 300 g de agua hasta una cierta temperatura y lo puedes hacer usando el
fuego grande o el fuego pequeño de la cocinilla. ¿En qué caso aumenta más la energía del agua?.
¿En qué caso se tardará menos en calentar el agua?.
20- En el S.I. la unidad de potencia se llama VATIO (w). ¿Qué significa que la potencia de una
máquina es de 5 w?. La máquina anterior, ¿podrá realizar una transformación en la que se
intercambian 20 J?. ¿Cómo?. Si la potencia de un sistema es de 200 W, ¿qué energía puede
transferir en 1 min?.
También se emplean a veces otras unidades de potencia. Las más frecuentes son:
 KILOVATIO (Kw) múltiplo del vatio.
 CABALLO DE VAPOR (C.V.) , donde 1 CV = 735 w
21- El motor de un coche tiene una potencia de 100 CV; calcula la gasolina que gastará cuando
esté funcionando durante una hora, si suponemos que lo hace a una cuarta parte de su máxima
potencia. (DATO: 1 kg de gasolina nos proporciona una energía de 42700 KJ).
22.- Un automóvil de masa 1000 kg es capaz de aumentar su velocidad de cero a 100 km/h en
8 s. Calcular su potencia en watios y en C.V.
23.- Si consideramos un coche más potente, por ejemplo de 100 CV, será capaz de aumentar
su velocidad (o su energía cinética) más rápidamente. Por ejemplo, para adquirir una velocidad
de 100 km/h (27,8 m/s), ¿cuánto tiempo tardaría?
5.- TRANSFERENCIA DE ENERGÍA. TRABAJO
5
En el lenguaje cotidiano se utiliza con frecuencia la palabra trabajo con varios
significados poco precisos, relacionados más bien con la fatiga que nos puede producir
que con el hecho físico. Así, decimos que nos cuesta trabajo ponernos a estudiar o que
resulta trabajoso estar mucho rato de pie, etcétera. El trabajo no es una forma de
energía, sino una magnitud que sirve para calcular la energía transferida en un
proceso en el que intervienen fuerzas capaces de desplazar el cuerpo sobre el que
actúan. Esta energía se puede calcular mediante la expresión:
Energía transferida = Trabajo (W) = Fuerza (F) · desplazamiento (d)

EW
F
·x
·
Donde:
W = Energía cinética transferida al cuerpo. Se le da el nombre de trabajo de la
fuerza F.
F = Fuerza aplicada.
x = Espacio recorrido.
Cuando las fuerzas están aplicadas en el mismo sentido en el que se produce el
desplazamiento contribuye a aumentar la energía cinética del cuerpo sobre el que se
aplican: decimos que hacen un trabajo positivo. Las fuerzas que están aplicadas en
sentido contrario al del movimiento disminuyen la energía cinética del sistema:
decimos que hacen un trabajo negativo.
Concluyendo:
W > 0, significa que el sistema aumenta su energía.
W < 0, significa que el sistema disminuye su energía.
Es conveniente tener bien claro qué trabajo queremos calcular. Es diferente el
trabajo realizado por un cuerpo del trabajo realizado sobre un cuerpo. Como ejemplo
consideremos a un hombre que sostiene un saco de 50 Kg sobre sus espaldas.
El trabajo realizado sobre el saco es nulo, ya que aunque sobre él se ejerce una
fuerza de 500 N no existe desplazamiento alguno y por lo tanto no hay trabajo.
El trabajo realizado por el hombre no es nulo, ya que aunque sobre el saco no ejerce
trabajo, dada la estructura de las fibras musculares se producen pequeñas contracciones y
dilataciones de éstas que realizan un trabajo, lo que provoca un intercambio de energía con
el exterior (sudoración) y como consecuencia el cansancio del mismo.
24.- Un chico arrastra durante 10 m un cuerpo cuya masa es de 60 kg, tirando con una fuerza
de 200 N. a) Calcula el trabajo realizado. b) Suponiendo que no hay rozamientos, ¿cuál será al
final la energía cinética del cuerpo?. c) En caso de que hubiera rozamiento, ¿la energía cinética
sería igual, mayor o menor que el trabajo?. Explica la respuesta.
25.- Para mover un mueble hemos efectuado un trabajo de 600J. Si la fuerza aplicada es paralela
al suelo y lo hemos desplazado una distancia de 5m ¿cuál es el valor de la fuerza aplicada?
26.- Determinar el tipo de energía del cuerpo de la figura (m = 400 g) en el estado inicial, en
el final y su velocidad después de recorrer 5 m. La fuerza F tiene un valor de 6 N.
v1 = 3 m/s
¿v2?
F
=
F
x
6
27.-Realiza un balance de energía para el cuerpo2 N
indicado en la figura (m = 1500 g). La fuerza indicada
es la fuerza de rozamiento. Calcula la velocidad al final
del recorrido:
v1 = 4 m/s
¿v2?
2N
2m
6.- TRANSFERENCIA DE ENERGÍA. CALOR
Un hecho experimental cotidiano es que los objetos pueden estar a distintas
temperaturas. Para medir la temperatura usamos los termómetros. Pero… ¿qué
estamos midiendo cuando determinamos la temperatura de un objeto?. La
temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética media de
traslación de sus moléculas. Su cero se correspondería con la temperatura de un
sistema en el que las partículas que lo integran tuvieran una energía cinética de
traslación nula.
El cero de la escala absoluta se corresponde con el valor -273,15 ºC.
La unidad de medida de temperaturas absolutas es el Kelvin (K) que es la
unidad fundamental de temperatura del S.I.
Cuando se ponen en contacto dos sistemas materiales a
diferente temperatura, evolucionan de manera que al final se igualan las
temperaturas de ambos, llegando a lo que se llama Equilibrio Térmico.
Teniendo en cuenta la interpretación de la temperatura dada
más arriba, deberemos concluir que las moléculas del cuerpo que está a
temperatura más alta tienen una energía cinética media superior a las
del cuerpo que tiene menor temperatura. Cuando se ponen en contacto
se produce una transferencia de energía entre las moléculas, de tal
manera que las que tienen mayor energía cinética pierden una parte que
pasa a las del otro cuerpo. En consecuencia, el cuerpo que estaba
inicialmente a mayor temperatura experimentará un descenso, y
aumentará la del que estaba a menor temperatura, hasta que ambas se
igualen. Una vez alcanzado en equilibrio, cesará el flujo de energía.
Llamamos calor (Q) a la energía en tránsito que pasa de un
cuerpo a otro cuando éstos están a distinta temperatura.
El calor, por tanto, es energía. O dicho más exactamente, energía en tránsito
de un cuerpo a otro. Por consiguiente, sus unidades serán las establecidas para la
energía (J), aunque a menudo, y por razones históricas, se mida en calorías (cal) o en
kilocalorías (1 kcal = 103 cal):
1 cal = 4,18 J; o bien: 1 J = 0,24 cal
28.- Suministrando la misma cantidad de energía, ¿qué aumentará más de temperatura: 1Kg de
agua o 1Kg de hierro?. ¿Por qué?. Si quisiéramos aumentar la temperatura de una de estas
7
sustancias en 10ºC y tenemos 1 Kg por un lado y 10 Kg por otro, ¿en qué caso debemos darle
más energía?. Y si quisiéramos aumentar la temperatura del hierro ¿es lo mismo elevar la
temperatura 20ºC que elevarla 100 ºC?. Por todo esto ¿de qué factores crees que dependerá
el calor necesario para calentar una sustancia?.
¿Cuánto calor es necesario comunicar a una sustancia para que eleve su
temperatura t ºC? La cantidad de calor necesaria depende de la sustancia de que
se trate y de la masa de la misma y se puede calcular usando la expresión:
Qm
·C

T
e·
En virtud del Principio de Conservación de la energía el Qabsorbido=-Qcedido
Donde Ce es El calor específico, es una propiedad característica de las
sustancias y es el calor necesario para elevar 1 grado (centígrado o kelvin) la
temperatura de 1 g de sustancia. La unidad S.I. de calor específico es: J/kg·K, …
aunque normalmente se mide en: cal/g·ºC
El calor específico de las sustancias, rigurosamente, varía con la temperatura.
Esto es, 1 g de agua no absorbe el mismo calor para subir su temperatura 1 ºC si la
subida es de 20 a 21 ºC, que de 99 a 100 ºC. No obstante, como la variación es
bastante pequeña se considera el calor específico medio entre 0 ºC y 100 ºC.
¿Cuánta energía es necesaria para calentar 400 g de agua del grifo desde una temperatura de
18 ºC hasta una temperatura de 40 ºC? (Ceagua = 1 cal/g·ºC).
29.-Queremos freír pescado. ¿Qué cantidad de calor necesitaremos para calentar 250 g de
aceite desde la temperatura ambiente de 25 ºC hasta la de 190 ºC? (Ceaceite = 0,60 cal/g·ºC).
30.- ¿Cuánta energía pierde 1 Kg de hierro cuando se enfría desde 800 ºC hasta la
temperatura ambiente (20ºC)?. Expresa el resultado en J y cal. (Cehierro = 0,10 cal/g·ºC).
31.- Se mezclan 800 g de agua a 20ºC con 1000 g de agua a 70ºC. Calcular cuál será la
temperatura final de la mezcla. (Ceagua = 1 cal/g·ºC)
32.- Mezcla 200g de agua a 80ºC con 50g de un líquido de calor específico 0,8cal/g·ºC que
está a 60ºC ¿Cuál será la temperatura de equilibrio de la mezcla?. (Ceagua = 1 cal/g·ºC)
33.- El agua caliente del calentador doméstico sale a 70 oC y el agua fría a 10oC. a) ¿Qué
cantidades hemos de mezclar para llenar una bañera de 200 L de capacidad con agua a 40 oC?.
b) ¿Qué cantidad de calor cederá el agua caliente al agua fría?. Datos: Ce agua = 1 cal/g·ºC,
dagua= 1 kg/L
34.- Se mezclan cantidades iguales de agua a 10 oC y a 60 oC. a) ¿Cuál es la temperatura de la
mezcla?. b) Si hubiese más agua a 10 oC, ¿hacia dónde se desplazaría la temperatura de
equilibrio de la mezcla?. (Ceagua = 1 cal/g·ºC)
35.- Se introduce un clavo de acero de 30 g que se encuentra a la temperatura de 70 ºC en un
vaso que contiene 100 g de agua a 20 ºC, ¿Cuál será la temperatura de la mezcla?. Suponemos
que la energía desprendida por el clavo es absorbida por el agua.
DATOS: Ceacero= 0,03 cal/g·ºC; Ceagua= 1 cal/g·ºC)
Uno de los efectos causados por el
aumento (o disminución) de la temperatura
es el cambio agregación (cambio de estado)
de la materia. Los cambios de estado que
absorben calor reciben el nombre de 8
mbios de estado progresivos (en rojo). Por el contrario los cambios de estado que
necesitan que la sustancia se enfríe (desprenda calor) reciben el nombre de cambios
de estado regresivos (en azul).
Y… ¿qué ocurre cuando llegamos a la temperatura de cambio de estado? Según
nos dice la experiencia, mientras la sustancia cambia de estado (funde, por ejemplo),
su temperatura permanece invariable aunque sigamos comunicando energía. Esto nos
indica que la energía que estamos dando no se está empleando en aumentar la energía
cinética de las moléculas, sino en romper enlaces entre ellas. Proceso necesario para
que la sustancia pase a otro estado (por ejemplo líquido) en el cual las interacciones
entre las moléculas son más débiles.
La cantidad de calor que es necesario comunicar a una sustancia para que
cambie de estado, una vez alcanzada la temperatura a la que éste se produce,
depende de la sustancia y de su masa. Se define el calor latente (L) o calor de
transformación, como la cantidad de calor que hay suministrar a 1 kg de la misma para
que cambie de estado. En el S. I el calor latente se expresa en J/kg (o bien: cal/g).
Q  m·L
36.- ¿Qué significa que el calor latente de fusión del hielo es de 80 cal/g?. ¿Y que el calor de
vaporización es de 540 cal/g?. ¿Qué ocurrirá en el proceso inverso, es decir, cuando el vapor
de agua se condense?.
37.- Calcula el calor necesario para: a) Fundir 2 Kg de plomo. b) Hervir 100 g de alcohol.
b) Fundir 1 L de mercurio. d) Solidificar 3 Kg de agua. DATOS: LF plomo = 23kJ/kg
Lv alcohol = 850kJ/kg; dHg = 13,6 g/cm3; LF mercurio= 2,8 cal/g; LF agua = 334 kJ/kg)
38.- Calcula el calor necesario para pasar 250 g de hielo a –10 oC a vapor de agua a 140 oC.
Datos: Cehielo = 0,5 cal/gºC; Ceagua = 1 cal/gºC; Cevapor = 0,45 cal/gºC; LF agua= 80cal/g; LV agua= 540 cal/g
39- Calcula la cantidad de calor necesaria para: a) Convertir 15 kg de hielo a 0 ºC en agua a 0
ºC. b) Calentar 25 L de agua a 0 ºC hasta agua a 100 ºC. c) Convertir 15 L de agua líquida a 100
ºC en vapor de agua a 100 ºC. d) Calentar 20 kg de hierro de 20 ºC hasta 100 ºC.
DATOS: Cehierro = 0,10 cal/gºC; Ceagua = 1 cal/gºC; LF agua= 80cal/g; LV agua= 540 cal/g, dagua = 1 g/cm3;
40.- Calcula la energía intercambiada al transformar 120g de hielo a -12ºC en vapor de agua a
110ºC. DATOS: Cehielo = 0,5 cal/gºC; Ceagua = 1 cal/gºC; Cevapor = 0,45 cal/gºC; LF agua= 80cal/g; LV agua= 540 cal/g
41.- Mezclamos 1 litro de agua a 80ºC con medio litro de agua a 10ºC. Determina la
temperatura de equilibrio de la mezcla. DATOS: dagua= 1kg/L; Ceagua=1cal/gºC
42.- Se introduce una pieza de 100g de plomo a 60ºC en un recipiente con medio litro de agua
a 20ºC. Determina la temperatura final de la mezcla. DATOS: dagua= 1kg/L; Ceagua=1cal/gºC;
Ceplomo=0,03cal/gºC;
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