Concepto Físico de Energia: Tipos,Transformaciones y Ejemplos
Concepto Físico de Energia: Tipos,Transformaciones y Ejemplos de Trabajo Mecanico
Si preguntamos con impaciencia qué es la energía no esperemos una respuesta rápida.
La energía no es fácil de definir -entre otras cosas-por que no siempre podemos percibirla por medio de los sentidos.
Si nos piden que describamos una naranja, la podemos apoyar sobre un plato y mirarla para después olería, tocarla y probarla; en cambio, sería imposible colocar un poco de energía en el plato para arremeter con nuestros sentidos.
Si bien la energía "no se ve", puede percibirse por sus efectos.
Por ejemplo, se manifiesta como energía del movimiento en un cuerpo que cae, en forma de luz y calor en el fuego, como energía química en una pila que hace funcionar una radio, en el flujo de la corriente eléctrica que mantiene en servicio a los electrodomésticos, a escala nuclear en una gigantesca explosión y, aunque parezca increíble, "en la naranja que apoyamos sobre el plato" almacenada como energía de reserva.
Para empezar podríamos definir al concepto de energía, como "la capacidad de realizar trabajo".
Una persona que trabaja necesita disponer de una reserva de energía que, en este caso, procede de los alimentos que ingiere.
La comida es una especie de combustible que se quema dentro de nuestro cuerpo, y una parte de la energía que se libera en el proceso de combustión es utilizada para mantener su temperatura, en tanto que otra es consumida por los músculos al moverse, lo que, en definitiva, constituye un trabajo mecánico.
En física, se realiza un trabajo cuando se traslada un peso a una cierta distancia.
Su magnitud es el resultado del producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida, siempre que ambas tengan la misma dirección.
Si se levanta un ladrillo de 1 kg. a 1 metro de altura, se realiza un trabajo para vencerla fuerza de la gravedad.
La fuerza aplicada es de 1 kg. y, como se ejerce a lo largo de 1 metro, el trabajo realizado es 1 kilográmetro (1 kgm.).
Al realizar este trabajo, se comunica energía al ladrillo.
La persona que lo levanta le transfiere parte de la energía procedente de los alimentos que previamente ha ingerido.
La energía adquirida por el ladrillo está en la forma de energía potencial, o energía de posición.
Si lo dejamos caer, la energía potencial se convierte en energía cinética (energía debida a su movimiento).
Izquierda: Al levantar el ladrillo, el hombre realiza un trabajo y le transfiere energía mecánica, que se convierte en energía potencial.
Medio: El ladrillo ha adquirido mayor energía potencial, cuya magnitud está dada por el producto de la fuerza por la distancia (altura).
Derecha: Al dejar caer el ladrillo, la energía potencial que había adquirido anteriormente se convierte, ese momento, en energía cinética.
De hecho, energía y trabajo están íntimamente relacionados, aplicándose este último término al proceso de transformación entre dos tipos distintos de energía.
La cantidad de trabajo realizado es igual a la cantidad de energía que el ladrillo adquiere.
Si se levanta el ladrillo a una altura doble se realiza un trabajo también doble, y el ladrillo adquiere el doble de energía.
Un hecho tan simple como levantar un ladrillo y dejarlo caer es causa de que la energía sufra distintas transformaciones.
En primer lugar, la energía química de las sustancias orgánicas complejas, contenidas en nuestros alimentos, se convierte, fisiológicamente, en energía calorífica.
Después, se transforma en energía mecánica (en nuestra mano), para convertirse, posteriormente, en la energía potencial adquirida por el ladrillo.
Al dejarle caer, la energía potencial se transforma en energía cinética y, al chocar con el suelo, parte de esta energía cinética se convierte de nuevo en calor, y otra parte se transmite al aire como energía acústica.
Es posible seguir el curso de una cierta cantidad de energía en esta cadena de transformaciones, ligadas por la realización de un trabajo.
La cadena puede ramificarse si, en una etapa determinada, la energía se transforma en otros el momento inicial que en cualquiera de las etapas seguidas en un determinado proceso.
Este principio constituye la denominada ley de la conservación de la energía, que es uno de los principios fundamentales de la física.
La palabra energía deja de pertenecer exclusivamente al lenguaje común para ingresar al lenguaje científico en el año 1807.
La propuesta nace del médico y físico inglés Thomas Young, profesor de Filosofía Natural, de la Royal Institution de Londres.
Energía, en griego significa trabajo y Young la empleó para describir muchos fenómenos que los físicos de la época denominaban fuerza viva y que en la actualidad denominamos energía cinética o energía del movimiento.
La definición de energía dada por Young fue ignorada durante muchos años.
Según él, energía era la capacidad para realizar un trabajo. Generalizando, hoy en día trabajo es la "aplicación de un esfuerzo para realizar una tarea".
Una grúa que levanta un contenedor realiza un trabajo.
Ocurre lo mismo cuando una pelota rueda de un punto a otro o desplazamos una lapicera para dibujar una palabra en el papel.
Tanto la grúa como la pelota y la lapicera deben sufrir la aplicación de una "fuerza", por esto la física define al trabajo como "la aplicación de una fuerza a través de una distancia".
Dicho en otras palabras, un trabajo es la fuerza que levanta, empuja o tira de un objeto a través de un número variable de metros.
La cantidad total de energía en el universo fue y será siempre la misma.
Existen otros tipos de energía de especial importancia: energía luminosa, energía eléctrica y energía magnética, que pueden también transformarse en las otras modalidades de energía anteriormente descritas.
Por ejemplo, es frecuente que se transformen entre sí las energías eléctrica, calorífica y luminosa; estas dos últimas se obtienen fácilmente de la primera.
La energía eléctrica es la que poseen los electrones cuando circulan por un circuito eléctrico sometido a una "presión eléctrica"; viene expresada por el producto de tres factores: la tensión, la intensidad y el tiempo.
En las lámparas, la energía eléctrica se transforma en luz y calor.
Aunque su función primordial es la de proporcionar luz, las lámparas no son muy eficientes, y sus filamentos han de ponerse al rojo para poder emitirla.
En una lámpara común, sólo un 5 % de la energía eléctrica se convierte en energía luminosa.
El 95 % se transforma en calor.
Los electrones, al fluir a través del circuito eléctrico, transfieren su energía al filamento de la lámpara, de igual forma que el hombre transmite energía al ladrillo al levantarlo o empujarlo.
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Aunque la energía puede existir en muchas formas, tedas ellas son equivalentes. En el sistema cegesimal (basado en el centímetro, en el grano y en el segundo), la unidad de energía es el "ergio" el que puede expresarse cualquier tipo de energía. Para que los números que se obtengan en las medidas sean sencillas se han introducido otras unidades de energía, más adecuadas.
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| SISTEMA SEXAGESIMAL | SISTEMA BRITÁNICO | |
| Energía mecánica |
ERGIO Si levantamos una masa de 1 gramo a la altura de un centímetro, adquiere una energía de 981 ergios. |
LIBRA PESO-PIE Energía adquirida al levantar una libra peso, un pie. 1 Ib. wt. ft. = 1,36 X 10" ergios |
| Energía calorífica |
CALORÍA Si hacemos subir 1°C la temperatura de 1 gramo de agua, ésta adquiere una energía calorífica de 1 caloría.1 caloría = 4,19X 107 ergios. |
B.T.U. (UNIDAD TÉRMICA BRITÁNICA) Cantidad de energía calorífica que adquiere una libra de agua cuando su temperatura se eleva 1° Farenheit . 1 b.t.u. = 1,055 X 107 |
| Energía eléctrica |
JULIO Un julio es la energía desarrollada por una corriente de un amperio, cuando fluye durante un segundo a través de una diferencia de potencial de 1 voltio.1 julio = 107 ergios. |
No existe equivalente. |
| Energía de partículas atómicas |
ELECTRÓN-VOLTIO Es la energía adquirida por un electrón acelerado a través de una diferencia de potencial de 1 voltio.1 eV = 1,6X I»"12 ergios. |
No existe equivalente. |
Los electrones propios del filamento absorben esta energía y pasan a un estado excitado, encontrándose entonces en una posición similar a la que tenía el ladrillo después de haberlo levantado.
Los electrones excitados pasan, casi inmediatamente, al estado original, con la consiguiente emisión de un tipo especial de energía, que afecta la porción sensible de la retina del ojo.
El cerebro humano interpreta esta impresión como una sensación luminosa.
El Sol es, prácticamente, la fuente de toda la energía recibida por la Tierra.
Parte de dicha energía es luz visible, pero otras porciones son invisibles.
El aparentemente sólido sol es en realidad una bola gaseosa opaca de hidrógeno. Su núcleo interno está en constante estado de fusión con liberación de enormes cantidades de luz y calor. Esto se hace perceptible a partir del halo de un eclipse.
La energía electromagnética (que comprende la energía luminosa) transmitida por el Sol es absorbida por las plantas y transformada en energía química, pues éstas la utilizan para sintetizar sustancias orgánicas complejas.
La energía química es la principal fuente de energía directamente aprovechable por el hombre, y sus alimentos y combustibles lo confirman claramente.
La hulla, por ejemplo, proviene de restos vegetales que absorbieron energía luminosa del Sol, hace millones de años, y que puede ser liberada al quemarse este carbón.
Dentro de la física, la energía es una magnitud de gran importancia, por la razón de que no puede ser destruida.
Si para un determinado proceso realizamos un cómputo energético, la energía inicial es igual a la final.
Por este motivo, la energía es una magnitud cuya medida resulta siempre útil.
La aparición de esta magnitud en todas las ramas de la física refuerza su importancia. Es la única que interviene tanto en mecánica, como en óptica, termodinámica, acústica, electricidad, magnetismo, física nuclear, etc.
Muchas de las distinciones establecidas entre las diversas ramas de la física no están muy bien definidas precisamente porque la energía puede transformarse, al mismo tiempo, en dos o más modalidades.
Un ciclista, al mover los pedales, está realizando un trabajo.
La fuerza que ejercen sus pies se transmite a las ruedas y las hace girar.
La energía desarrollada por el ciclista se transforma en energía cinética, ya que tanto él como la bicicleta se mueven.
La dínamo de la bicicleta convierte una pequeña fracción de la energía cinética en energía eléctrica, que se usa para calentar el filamento de una lámpara y hacer que ésta emita energía luminosa.
TIPOS DE ENERGÍA
La energía calórica encuentra su origen en cualquiera de las otras formas: si martillamos un clavo (energía mecánica), la cabeza del clavo se calienta; el Sol nos da su calor en el frío invierno y nos broncea en el verano (energía radiante); la corriente eléctrica y el gas natural (energía química) son capaces de proporcionarnos calor en las épocas de baja temperatura.
La energía lumínica nos es tan familiar que a veces no somos capaces de valorarla.
La energía química, es la que nos proporcionan los alimentos y los combustibles. Un dispositivo ingenioso proporciona energía eléctrica a expensas de una reacción química: la pila.
la energía eléctrica es un fenómeno de naturaleza parecida a la de los imanes y la que recibimos a diario desde la usina generadora.
Se origina en una turbina que desarrolla energía mecánica a partir de la energía química que le proporciona el combustible.
La energía nuclear es la manifestación energética que el hombre ha descubierto más recientemente.
Es también la más peligrosa porque aún no se la sabe controlar perfectamente y puede ser usada con fines no pacíficos.
Esta energía se obtiene destruyendo el núcleo del átomo.
Si la operación es controlada, esa energía servirá para mover la turbina que fabrica electricidad ; si no se controla, se revivirán episodios tristes como el de Hiroshima y Nagasaki en la Segunda Guerra Mundial.
La energía mecánica la más familiar para todos, y no es más que la que se pone en juego en el movimiento del cuerpo de una maquinaria, el simple acto de martilla o golpear el parche de un tambor, el arrojar una piedra o batir un pote de crema.
La física la clasifica en energía potencial y energía cinética.
La energía potencial es la que guardan come reserva los cuerpos en reposo. Cuando un niño de cuatro años ya lee y escribe todos dicen que el un "genio en potencia"; quieren decir que aún no es un genio, pero lleva en sí mismo cualidades "potenciales" que le permitirán serlo en el futuro.
En cambio la energía cinética (de kinema que en griego significa movimiento) es la energía que los cuerpos gastan al ponerse en movimiento.
La energía cinética se diferencia de la potencial porque en aquélla influye un nuevo factor: la velocidad con la que el cuerpo se mueve.
La humanidad todavía no tiene la última palabra en el tema energético. "Le llevó toda su existencia descubrirla y todavía no ha terminado de hacerlo".
MASA Y ENERGÍA:
La materia misma es una fuente de energía. Una masa pequeñísima es equivalente a una gran cantidad de energía. Concretamente, un gramo es equivalente a 931.000.000.000.000.000.000 ergios
No es fácil, sin embargo, transformar la masa en energía.
Esto sólo puede realizarse en circunstancias especiales; por ejemplo, en un reactor nuclear.
Los átomos de uranio, al desintegrarse, "pierden" una pequeña fracción de su masa, la cual se convierte en energía.
Si un átomo fuera un estadio de fútbol, su núcleo sería como una mosca en el centro del campo de juego.
Pero cuando se divide un núcleo inestable como el del Uranio, la energía desprendida por unos pocos kilogramos de este metal es equivalente a la explosión de miles de toneladas de TNT.
Esta reacción llamada fusión ocurre normalmente sin detenerse en el sol.
El hombre reproduce este fenómeno en las usinas nucleares y en las bombas atómicas.
Las bombas H tienen un poder que ronda las cien kilotoneladas (1 kilotonelada es igual a 1000 toneladas de TNT).
E=m.c2
La conversión teórica de masa en energía conduce a cantidades asombrosas.
Estos ejemplos representan el equivalente de un kilogramo de masa convertido en energía:
- una plancha eléctrica encendida un millón de años.
- un acondicionador de aire en marcha 300.000 años.
- una caldera doméstica encendida sin parar de 25.000 a 30.000 años.
- un automóvil que da 180.000 veces la vuelta al mundo.
- el mayor buque cisterna dando 400 veces la vuelta al mundo.
Un escape pequeño puede ser grandísimo...
Einstein explicó la cantidad de energía que se pierde al transformarse la masa en energía, con la ecuación:
E=m.c2
Esta fórmula ha iniciado la era atómica y ha aclarado el mecanismo del sol como fuente de energía solar.
La fórmula encierra la afirmación de que la masa puede transformarse en energía y viceversa.
"E" quiere decir energía; "M" significa masa y "C" representa la velocidad de la luz en el vacío, es decir 300.000 kilómetros por segundo.
Elevando "C" al cuadrado (multiplicando el valor indicado por sí mismo), resulta una cifra astronómica.
Quiere decir que una pequeña cantidad de masa puede transformarse en una gigantesca cantidad de energía.
Pensemos en una bomba atómica, o en el Sol, que perdiendo una cantidad insignificante de materia,
ha podido irradiar energía durante tanto tiempo y estará en condiciones de hacerlo por miles de millones de años.
• FUENTES DE ENERGÍA:
Se denominan fuentes de energía o recursos energéticos todos aquellos componentes de la Naturaleza a partir de los cuales es posible obtener energía utilizable por el hombre.
Casi todas las fuentes de energía proceden en última instancia del Sol.
Esta energía solar, o bien se utiliza directamente, o bien da lugar a la formación del resto de los recursos energéticos
Así, las plantas utilizan directamente la energía solar para producir sus alimentos, con lo que crecen y se desarrollan, originando a su vez nuevos recursos energéticos como el carbón, que procede de la fosilización de cantidades inmensas de plantas que han estado enterradas durante miles de años.
Las fuentes de energía se clasifican normalmente atendiendo al carácter de que se agoten al paso del tiempo o de que sean prácticamente inagotables.
Así, se distinguen las energías renovables y las energías no renovables.
» Son energías renovables aquellas que existen en cantidades ilimitadas y, por tanto, no se agotan por mucho que se utilicen.
Entre las energías renovables están la energía solar, la hidráulica, la eólica. la de la biomasa y la maremotriz.
» Son energías no renovables aquellas que existen en cantidades limitadas en la Naturaleza, de forma que se agotan a medida que se van utilizando.
Entre las energías no renovables están la energía del petróleo, la del carbón, la del gas natural, la geotérmica y la nuclear.
Las fuentes de energía también pueden clasificarse atendiendo a la incidencia que tengan en la economía de un país en un momento determinado.
Así se tienen las energías convencionales y as energías no convencionales.
• Se llaman fuentes de energía convencionales aquellas que tienen una ¿reincidencia en el consumo energético de los países industrializados.
Entre las fuentes de energía convencionales se pueden citar todas las fuentes de energía no renovables y la energía hidráulica.
• Se llaman fuentes de energía no convencionales o energías alternativa aquellas que hoy día se encuentran en fase de estudio con el propósito de sustituir o reforzar en un futuro a las fuentes de energía convencionales.
Entre las fuentes de energía no convencionales se pueden citar la energía solar, la eólica, la maremotriz, la geotérmica, la de la biomasa, etc.
Fuente Consultada:
Revista TECNIRAMA N°67
FÍSICA II Polimodal
FÍSICO-QUIMICA Secundaria Santillana
