La energía by ENGRANAJES Y PROTONES

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES Juan P.R.

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La Historia de la Humanidad, en buena parte, está ligada a cómo el ser humano ha satisfecho sus necesidades energéticas. A medida que estas necesidades han ido aumentado, hemos tenido que aprender a utilizar y aprovechar nuevas fuentes de energía y a construir máquinas capaces de transformar esa energía en procesos concretos. Desde la Prehistoria se han aprovechado las transformaciones de la energía que se producen espontáneamente en la naturaleza: el calor y la luz del sol, el fuego (permitió cocinar los alimentos, construir nuevas herramientas, etc), la energía del agua y el viento (se aprovechó para hacer funcionar ruedas, molinos o barcos de vela...) Pero no fue hasta el siglo XVIII, cuando el ser humano comenzo a aprovechar otras formas de energía hasta entonces desaprovechadas, y no solo eso, también empezo a idear dispositivos para transformar unos tipos de energía en otros que le resultaran más útiles. La creación de la máquina de vapor en el siglo XVIII revolucionó el mundo del transporte y de la industria. Este dispositivo transformaba la energía de un gas a presión (vapor de agua) en movimiento y trabajo.

Otro gran hito fué el desarrollo del motor de combustón interna en el siglo XIX, llamado así porque en su interior consta de una serie de cilindros en los que se quema combustible de tal forma que los gases producidos mueven directamente los pistónes y el eje de salida. En este caso es la energía química de los derivados del petróleo la que se transforma en trabajo y energía mecánica. A lo largo del siglo XIX, comenzaron a desarrollarse una serie de avances y descubrimientos en el campo de la electricidad y el magnetismo que llevaron a comienzos del siglo XX al inicio de un siglo de preponderancia de la energía eléctrica (compartida, eso si, con la todo poderosa industria del petróleo y sus derivados). La energía eléctrica juega a su favor con una gran facilidad de transporte y una gran comodidad de uso. Poco a poco ha ido ganando adeptos y no tardará muchos años en desplazar al petróleo. Hoy en día, el abanico de fuentes de energía que podemos aprovechar ha aumentado muchísimo, y cada vez encontramos nuevas maneras de transformar esta energía en aquellas formas que nos son más útiles: luz, movimiento y calor.

1-ENERGÍA, CALOR, TRABAJO Y POTENCIA: Ahora bien, dicho todo esto, deberíamos especificar qué es lo que entendemos por Energía. En física entendemos que solo hay dos caminos posibles para transferir energía de un cuerpo a otro, el calor y el trabajo. Según esto:

ENERGÍA: capacidad de un cuerpor de producir un trabajo o de transmitir calor. La unidad de medida de energía en el S.I. es el Julio (J)

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CALOR: El calor es un tipo de energía producida por el movimiento vibratorio (agitación) de los átomos o moléculas que componen un cuerpo.

Es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre se produce desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos vibran en sus posiciones. El calor se puede transferir mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden ocurrir al mismo tiempo, puede suceder que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se trasmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

CONVECCIÓN: proceso por el cual se transmite calor de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido. Se transporta energía térmica mediante el transporte de materia.

FIG. 1 Transmisión de calor

RADIACIÓN: Transporte de energía calorífica que puede tener lugar tanto en presencia de materia como en ausencia de ella, es decir, en el vacío. Se produce por medio de ondas electromagnéticas .

CONDUCCIÓN: es el paso de calor (energía) por contacto, de un cuerpo de mayor temperatura a otro de de materia, pero en presencia de ésta. Es un menor. Es un transporte de energía calorífica sin transporte proceso típico de los sólidos, consecuencia de la agitación molecular que hace posible el intercambio de energía cinética entre unas moléculas y sus vecinas.

El calor y la temperatura no son sinónimos. Podemos decir que están íntimamente relacionados, ya que la temperatura puede determinarse por la cantidad de calor acumulado, y el calor es un fenómeno físico que eleva la temperatura y dilata un cuerpo, pero no deben confundirse. El calor que posee un cuerpo, como veremos más adelante, es la suma de la energía cinética de todas sus moléculas.

TEMPERATURA: es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia.

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Continuando con las definiciones que estamos viendo, es importante entender el concepto de trabajo. Es una magnitud que da lugar a mal entendidos pues se tiende a confundir su significado físico con el significado que le asignamos en el lenguaje coloquial. Ejemplo: Si preguntamos a alguien que esté sosteniendo un objeto pesado sin moverse si está haciendo un trabajo, probablemente responda que sí. Sin embargo, desde el puto de vista de la física, no realiza trabajo, lo que hace es un esfuerzo.

Desde un punto de vista físico, el trabajo es una magnitud que mide la energía intercambiada entre dos sistemas que interaccionan a través de una fuerza.

TRABAJO: En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo de manera acelerada.

El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra W (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades. Para calcular el trabajo realizado por una fuerza, debemos hallar el producto de la fuerza aplicada sobre un cuerpo y del desplazamiento del cuerpo en la dirección de esta fuerza.

FIG. 2 Trabajo de una fuerza en la dirección del movimiento

En el caso de que la fuerza no se ejerza paralelamente al movimiento, debemos descomponerla en sus componentes paralela y perpendicular al movimiento, y así el trabajo se calculará:

W = F ⋅ s ⋅ cos α Solo se produce trabajo cuando la fuerza actúa en la misma dirección que el movimiento, o dicho de otra manera, solo realiza trabajo la componente de la fuerza en la dirección del movimiento. FIG. 3 Trabajo de una fuerza no paralela al movimiento. Descomponemos la fuerza en sus componentes paralela y perpendicular. Solo realizará trabajo la componente paralela.

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Según la dirección de la fuerza, también se puede dar la situación de que el trabajo realizado sea negativo. Este es el caso de las fuerzas que se oponen al movimiento:

FIG. 4 La fuerza ejercida por la dueña del perro se opone al movimiento del mismo y el trabajo que realiza será negativo

Íntimamente ligada a la definición de trabajo está la de potencia:

POTENCIA: Es el cociente que resulta de dividir el trabajo W que se realiza entre el tiempo t que tarda en realizarse. Su unidad internacional es el vatio (W).

W P= t

Unidad vatio 1 W= 1 J/s

2-UNIDADES DE ENERGÍA: •

Julio: es el trabajo que realiza una fuerza de 1 newton al desplazar su punto de aplicación 1 metro en su misma dirección.

•

Kilográmetro: es el trabajo realizado por una fuerza de 1 kilopondio al desplazar su punto de aplicación 1 metro en su misma dirección. 2

1 kilopondio (1kp) = 1kilogramo fuerza (1kgf) = 1kg  9,8 m/s = 9,8 N 1 kilográmetro = 1kp 1m = 9,8 J

•

Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar, a presión normal, la temperatura de 1 g de agua desde 14,5ºC a 15,5ºC. 1 cal = 4,18 J

•

Kilovatio hora: es el trabajo realizado por una máquina de 1 kW de potencia durante 1 hora de funcionamiento. 6

1 kWh = 1000 W  1 h = 1000 J/s  3600 s = 3,6  10 J

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Aparte de estas unidades, existen otras que se usan para calcular la calidad energética de los combustibles. Estas unidades están basadas el el poder calorífico de estos combustibles. Las más utilizadas son: •

Tep: Toneladas equivalentes de petróleo. Energía liberada en la combustión de 1 tonelada de crudo 9

1 Tep = 41,84 10 J •

Tec: Toneladas equivalentes de carbón. Energía liberada en la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla). 9

1 Tec = 29,3  10 J La equivalencia entre tep y tec es: 1 tep = 1'428 tec •

Kcal/kg: Calorías que se obtendrían con la combustión de 1 kg del combustible considerado.

3-FORMAS DE ENERGÍA La energía se manifiesta de múltiples formas, pudiendo convertirse unas en otras con mayor o menor dificultad. Entre estas distintas clases de energía se pueden citar las siguientes:

3.1. ENERGÍA MECÁNICA

ENERGÍA MECÁNICA: Es la energía almacenada en los cuerpos materiales, y puede definirse como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de su velocidad (energía cinética), de su posición en un punto de un campo gravitatorio (energía potencial gravitatoria), o de su estado de tensión/deformación (energía potencial elástica).

Energía cinética (EC): es la energía que posee un cuerpo en movimiento, debido a su velocidad. La energía cinética de un cuerpo de masa m que se desplaza a una velocidad v viene dada por la expresión:

Ec =

1 ⋅ m ⋅ v 2 2

Si sobre un cuerpo actúa una fuerza F que realiza un cierto trabajo W, y como resultado de su acción la velocidad del cuerpo aumenta desde un valor inicial v1 a otro final v2 (SIN CAMBIAR SU ENERGÍA POTENCIAL) se cumplirá que:

W = ΔEc = Ec f − Ec0 =

1 1 1 ⋅ m ⋅ v 2f − ⋅ m ⋅ v02 = ⋅ m ⋅ (v 2f − v02 ) 2 2 2 6

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Esta expresión matemática, es el llamado teorema de la energía cinética o de las fuerzas vivas, que se puede enunciar así:

El trabajo realizado por una fuerza al actuar sobre un cuerpo durante cierto tiempo, es igual a la variación de energía cinética experimentada por el cuerpo en ese tiempo.

Ejemplo: este es el caso de una persona que empuja una caja sobre un plano horizontal. El trabajo que realiza será igual a la variación de la energía cinética que experimenta la caja.

OJO: Si la velocidad del cuerpo, y por tanto su energía cinética, disminuye, será porque es el propio cuerpo el que ha realizado el trabajo, y éste será negativo.

Energía potencial gravitatoria (EP): La energía potencial es la energía que tiene un cuerpo debido a su posición respecto a otro cuerpo. Un caso particular es la Energía potencial gravitatoria, que es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa en un campo gravitatorio. Si un cuerpo de masa m está situado a una cierta altura h dentro de un campo gravitatorio, actuará sobre el cuerpo una fuerza, su peso (P = mg) y, si se le abandona libremente, el cuerpo recorrerá una distancia, la altura h, bajo la acción de dicha fuerza. Por tanto el campo gravitatorio realizará un trabajo: W = m g h, que es una medida de la energía potencial gravitatoria que poseía. Por tanto:

Ep = m ⋅ g ⋅ h Con respecto a esta expresión, conviene tener en cuenta tres cuestiones fundamentales: •

Para conocer la energía potencial gravitatoria de un cuerpo, es necesario saber la altura h a la que se encuentra, y para ello es preciso que previamente se determine un nivel de referencia.

ç El objeto a esta altura tiene una EP = mgh

ç Nivel de referencia. Para el suelo h = 0 m FIG. 5 Energía potencial

Ejemplo: Si se dice que un objeto está a 2 metros de altura, habrá que señalar si esta altura se mide sobre el suelo, sobre el nivel del mar, sobre la terraza de una casa, etc.

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•

Este nivel o punto de referencia suele denominarse nivel cero de energía potencial gravitatoria. Por eso, en realidad, no podemos hablar de energía potencial gravitatoria en sentido absoluto, sino, únicamente, de diferencias de energía potencial gravitatoria entre dos puntos: el de situación del cuerpo y el de referencia. Así, escribiremos de una forma más correcta:

W = m ⋅ g ⋅ (h − h0 ) que equivale a establecer que el trabajo realizado contra las fuerzas del campo gravitatorio se invierte en incrementar la energía potencial gravitatoria del cuerpo, llevándole desde una altura inicial h0 hasta la altura final h. •

La expresión EP = mgh solo es válida para alturas pequeñas, en las que el valor de la aceleración de la gravedad g se pueda considerar constante.

•

Si se realiza trabajo sobre un cuerpo (en contra del campo gravitatorio) su altura aumenta, y también aumentará su energía potencial gravitatoria. Por el contrario, si el cuerpo se acerca al nivel cero, disminuyendo su altura, y por tanto su energía potencial gravitatoria, es precisamente el campo quien realiza trabajo a expensas de la energía perdida por el cuerpo.

Energía potencial elástica (EPx) Es la energía que posee un cuerpo elástico (resorte) en virtud de su estado de tensión Es evidente que si estiramos un muelle o lo comprimimos con una fuerza F realizamos un trabajo. Este trabajo queda almacenado en el muelle en forma de energía potencial elástica, y se pondrá de manifiesto al soltarlo.

Epx =

1 ⋅ k ⋅ x 2 2

donde:

RECORDATORIO La ley de Hooke establece que en los cuerpos elásticos la fuerza deformadora F es directamente proporcional a la deformación x producida:

k = constante elástica del resorte (N/m)

F=kx x = deformación (m)

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3.2. ENERGÍA NUCLEAR Es la energía almacenada en el núcleo de los átomos, y que se puede aprovechar mediante reacciones de fisión y de fusión. Fisión Las reacciones de fisión consisten en romper núcleos de átomos pesados como el Uranio, para producir energía. Una de las reacciones de fisión más comunes es la siguiente: 1 0

140 93 1 n + 235 92 U → 55 Cs + 37 Rb + 3 0 n + 200MeV -11

Un átomo de Uranio, al reaccionar con un neutrón, produce Cesio-140, Rubidio-93 y 200 MeV (3,2·10 J). Una reacción nuclear de este tipo libera una energía unos 10 millones de veces superior que la liberada por cualquier reacción química típica.

obs: el electronvoltio es una unidad de energía utilizada en procesos a escala atómica. Su equivalencia con la unidad del S.I. es: 1 eV = 1,602176565 × 10

-19

J 6

1 MeV (mega electronvoltio) = 10 eV = 1,602176565 × 10

-13

Fusión Consiste en unir átomos ligeros como el Hidrógeno para producir energía. También son conocidas como reacciones Termonucleares y se producen, fundamentalmente, con los isótopos del Hidrógeno: 2 1

H + 12 H → 13 H + 11H + 4MeV

2 1

H + 12 H → 23 H + 01H + 3, 2MeV

2 1

H + 13 H → 24 H + 01n +17, 6MeV

El aprovechamiento de la energía de fusión está todavía en fase de investigación. Si bien ya se ha conseguido, ha sido en reactores no muy estables y con un coste energético exorvitante. Para reproducir la fusión nuclear se necesitan temperaturas altísimas que hacen que el proceso requiera mucha más energía de la que se obtiene. Para que sea un la fuente de energía del futuro, como algunos vaticinan, se debe conseguir la “Fusión fría”, es decir, a temperaturas suficientemente bajas como para que no requieran un gasto energético tan prohibitivo.

3.3-ENERGÍA INTERNA La materia está formada por moléculas y átomos que se encuentran en constante movimiento. A su vez + 0 los átomos están formados por partículas subatómicas (e , p y n ) que también se mueven. Aunque un cuerpo esté en reposo, todas estas partículas están en continua agitación y poseen, por consiguiente, energía cinética. Pero no es solo esto: también existen fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas, lo que significa que el sistema posee energía potencial.

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Energía interna (U) de un cuerpo es la suma de las energías cinética y potencial de todas las partículas que lo constituyen.

La energía interna de un cuerpo depende también de su temperatura y de la presión a la que está sometido, y puede aumentar cuando se realiza un trabajo sobre el cuerpo o se le pone en contacto con otro a mayor temperatura. En este último caso la energía se ha transmitido en forma de calor.

3.4-CALOR Es una forma de energía debida a la agitación de las moléculas que componen un cuerpo, que se manifiesta por las variaciones de temperatura, cambios de estado y de volumen de los mismos y que se transmite de unos a otros como consecuencia de una diferencia de temperatura. Esta transmisión de calor puede tener lugar de tres maneras diferentes:

Conducción: Es el paso de calor (energía) por contacto, de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor. Consiste en un transporte de energía calorífica sin transporte de materia, pero en presencia de ésta. Es un proceso típico de los sólidos, consecuencia de la agitación molecular que hace posible el intercambio de energía cinética entre unas moléculas y sus vecinas. Los metales son muy buenos conductores del calor, por eso es necesario proveer de asas o mangos de sustancias aislantes térmicas a los utensilios domésticos de metal que hayan de ser calentados. Las sustancias que son malas conductoras del calor, como la madera, el corcho, el plástico, etc., se utilizan como aislantes del calor. El aire, siempre que no esté en movimiento, es un buen aislante: por eso, se emplean dobles tabiques y vidrieras con aire en medio como aislantes del calor en las viviendas.

FIG. 6 Cuando el cuerpo se calienta, aumenta la agitación térmica de sus partícuas. Los átomos chocan con sus vecinos y así transmiten su movimiento. De esta forma se transmite el calor por conducción

Radiación: Consiste en un transporte de energía calorífica que puede tener lugar tanto en presencia de materia como en ausencia de ella, es decir, en el vacío. Se produce por medio de ondas electromagnéticas, análogas a las de la luz, radio, televisión, etc., pero de un determinado rango de frecuencia. Es de esta forma precisamente como se propaga la energía térmica del sol a través del espacio. Todo cuerpo, por estar a una cierta temperatura, emite ondas electromagnéticas, pudiendo también absorberlas. La emisión de estas ondas por un cuerpo y su absorción por otro implica una transmisión de energia (calor).

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La longitud de onda y la potencia relativa de la radiación emitida depende de la temperatura del cuerpo. Para las temperaturas habituales a nuestro alrededor, la mayor parte de esta radiación está en la banda de los infrarrojos. Por ello las cámaras de visión nocturna se basan en la detección de radiación infrarroja, de forma que se asocia una determinada temperatura a cada longitud de onda.

FIG. 7 Localización en el espectroelectromagnético de las radiaciones térmicas

FIG. 8 Imágenes obtenidas con una cámars de IR

Para cuerpos a altas temperaturas, la radiación térmica emitida entra en el espectro visible. Por ejemplo el hierro al rojo vivo. Si la temperatura aumenta aún más, las emisiones se centran en colores con una longitud de onda cada vez menor (el naranja del Sol). De hecho, una manera de medir la temperatura de la superficie de las estrellas es a través del color de la luz que emiten.

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Convección: En este caso el paso de calor de un cuerpo a otro es a través de un fluido (aire, agua, etc.). Es un transporte de energía calorífica con transporte de materia. Las moléculas del fluido “disminuyen de densidad” al calentarse, y ascienden en el seno del fluido, siendo ocupado su lugar por otras moléculas más densas, que se calentarán de igual modo, estableciéndose así las llamadas «corrientes de convección».

FIG. 9 Corrientes de convección En la figura superior se aprecian las corrientes de convección en el interior de una olla de cocina. En el líquido las moléculas están más juntas (mayor densidad) y cuando el líquido se evapora y pasa a gas, las moléculas están más separadas (menor densidad). Es esta diferencia de densidad la que hace que se establezca una corriente, un flujo, de materia, y por tanto de calor. También vemos las corrientes de convección del aire alrededor de un radiador, o incluso en el interior del magma de la Tierra.

Cuando un cuerpo recibe calor, pueden darse dos situaciones: •

Acumulación sin cambio de estado: El cuerpo acumula energía térmica, la cantidad acumulada depende del tipo de material, de su estado físico de agregación, de su masa y de la temperatura a la que se encuentre.

Q = m ⋅ ce ⋅ (T f − Ti ) m = Masa (kg) ce = Calor específico (kcal/kgºC) Tf y Ti= Temperatura final e inicial (oC)

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•

Acumulación con cambio de estado: Un cuerpo necesita absorber (o ceder) calor para cambiar de estado. Durante este proceso la temperatura del cuerpo no varía (si se trata de una sustancia pura) donde: a) De sólido a líquido Q = λf  m λf = calor latente de fusión (kcal/kg) b) De líquido a gas

Q = λv  m

λv = calor latente de vaporización (kcal/kg) m = masa (kg)

3.5-ENERGÍA QUÍMICA Todas las sustancias químicas poseen una cierta cantidad de energía (debida a la unión entre sus átomos y sus moléculas), que se pone de manifiesto cuando, al reaccionar y transformarse en otras sustancias, se libera o se absorbe energía. Si en la reacción se desprende calor, significa que la energía química de los reactivos es mayor que la de los productos; si, por el contrario, tiene lugar una absorción de calor, será mayor la de los productos que la de los reactivos. Al igual que en el caso de la energía potencial gravitatoria, no es posible determinar el valor absoluto de la energía química de un compuesto, solo pueden medirse sus variaciones. Debido a esto, se toma arbitrariamente como nivel cero la energía química de los elementos en condiciones estándar (25 °C de temperatura y 1 atmósfera de presión). Aquellas sustancias que, como el carbón o los hidrocarburos del petróleo, al arder desprenden energía química en forma de calor reciben el nombre de combustibles, denominándose poder calorífico de un combustible a la cantidad de calor liberado en la combustión de una cierta cantidad unitaria del mismo (normalmente se expresa en kcal/m3 en condiciones normales, o en kcal/kg).

Q = m  Pc

(sólidos y líquidos)

m = Masa del cuerpo que se quema (kg) Pc = Poder calorífico del cuerpo (kcal/kg) o (kcal/L)

Q = V  Pc

(gases)

V = Volumen del gas (m ) 3

Para gases, si las condiciones de suministro no son normales (p = 1 atm y T = 273 K), se tiene que:

" 273 % PC = PCN ⋅ $ p ⋅ # 273+ T '& PC = Poder calorífico del gas en las condiciones de suministro. PCN = Poder calorífico del gas en las condiciones normales p = Presión de suministro (atm) T = Temperatura del gas en las condiciones de suministro (K)

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3.6-ENERGÍA RADIANTE 8

Es la energía que se propaga en forma de ondas electromagnéticas a la velocidad de la luz (c = 3·10 m/s). En parte es caloríca, como ya hemos visto, pero otra parte corresponde a microondas, luz visible (energía luminosa), rayos ultravioleta, rayos X, rayos γ, etc. En nuestro sistema solar, el Sol constituye la fuente principal de este tipo de radiaciones.

3.7-ENERGÍA ELÉCTRICA Es la energía que posee la corriente eléctrica. No se trata de una energía primaria (de las obtenidas directamente de las fuentes de energía) ni final (las que utilizamos directamente como el movimiento, la luz o el calor), sino más bien de una forma intermedia de energía de gran utilidad a causa de las excepcionales características que posee: ü

Se transforma muy fácilmente, y sin apenas producir contaminación, en otras formas de energía.

ü

Es muy cómoda de utilizar.

La cantidad de energía eléctrica consumida por un aparato receptor dependerá de la tensión que se le aplique y de la intensidad de corriente que lo atraviese. Esta energía se transformará parte en otro tipo de energía útil, y parte se perderá en forma de calor (Efecto Joule). La expresión para calcularla es:

E = V ⋅ I ⋅ t Siendo V = la tensión I = la intensidad de corriente t = el tiempo de funcionamiento.

En el caso de que el receptor sea una resistencia:

E = V ⋅ I ⋅ t = (I ⋅ R)⋅ I ⋅ t = I 2 ⋅ R ⋅ t

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4 –PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA La energía interna de un cuerpo o sistema, U, puede aumentar o disminuir, aportándole o extrayendo de él calor, Q, o por medio de trabajo mecánico, W, cumpliéndose siempre que:

ΔU = Q + W

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

En esta expresión, siguiendo el criterio de la IUPAC, Q se considera positivo si es absorbido por el cuerpo o sistema, y negativo en caso contrario; mientras que W es positivo si se trata de un trabajo realizado sobre el cuerpo, y negativo si es el cuerpo quien lo realiza.

Si además de energía interna el cuerpo posee también energía cinética EC y energía potencial EP (el cuerpo está en movimiento y/o está en un campo gravitatorio), su energía total E será: E = U + EC + EP Y la ecuación anterior puede generalizarse como:

ΔE = E2 – E1 = Q + W

Si un cuerpo experimenta una transformación de tipo únicamente mecánico (sin transferencia de calor o cambio de la energía interna: ΔQ=0, ΔU=0), desde un estado inicial (1) hasta un estado final (2), resulta que el trabajo realizado por el cuerpo, o sobre el cuerpo se invertirá todo en variar su energía mecánica, con lo que :

(Ep2 + Ec2) – (Ep1 + Ec1) = W Y si la energía potencial permanece constante, como en el caso de un cuerpo desplazándose por una superficie horizontal y pasando de una velocidad v1 a otra v2 se cumplirá:

Ec2 –Ec1 = W Que es el teorema de la energía cinética o de las fuerzas vivas que ya vimos con anterioridad. La energía total de un sistema aislado permanece constante, aunque se puede transformar de unas clases en otras. Q=W=0

è

E1 = E2 =cte.

Este es el llamado principio de conservación de la energía, que se cumple en nuestro Universo, por ser un sistema aislado, ya que no hay cuerpos que actúen sobre él (si los hubiera, formarían a su vez parte del Universo). Por tanto, puede afirmarse que:

La energía total del Universo permanece constante.

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GENERALIZACIÓN DE EINSTEIN De acuerdo con la Teoría de la Relatividad, la materia es una forma más de la energía, de modo que una variación en la masa de un sistema supone siempre una variación en su energía, según la expresión:

ΔE = Δm*  c2 donde la constante de proporcionalidad c corresponde a la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Por tanto, adoptando ahora este criterio debemos enunciar así el principio de conservación de la energía:

La suma total de la masa y la energía del Universo permanece constante.

5 –TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Todas las formas de energía se pueden transformar unas en otras, por ejemplo la energía potencial gravitatoria puede transformarse o manifestarse como cinética; la energía química puede dar origen a energía calorífica, etc. Otra cosa es que la Ciencia y la Técnica sean capaces hoy en día de llevar a cabo todas estas transformaciones. RENDIMIENTO En la práctica, ninguna de estas transformaciones energéticas se verifica en su totalidad. Es decir, si disponemos, por ejemplo, de 100 J de energía de una determinada clase, nunca se obtienen 100 J de energía del tipo deseado; siempre hay una fracción más o menos grande de energía que se convierte en calor y se disipa al exterior, sin que pueda ser utilizada posteriormente. Por regla general, las máquinas utilizan energía de una clase determinada y la transforman en energía mecánica (trabajo). Esta transformación interesa que sea lo más completa posible; es decir, que las pérdidas de energía en forma de calor queden reducidas a un mínimo. Para cuantificar el aprovechamiento energético de una máquina se considera un parámetro que se conoce con el nombre de rendimiento, y que viene dado por la siguiente relación:

η=

WREALIZADO ⋅100 EUTILIZADA

Se expresa en %

Los diseños de máquinas deben permitir el mayor aprovechamiento energético, es decir eliminar al máximo las pérdidas de energía y maximizar el rendimiento.