ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES
PRESENTADO POR: OSCAR JULIAN GALINDO YHAN CARLOS MOLINA MUÑOZ
PRESENTADO A: AIXA YALILA NEIRA HERRAN
INSTITUCIÓN EDUCATIVA MUNICIPAL LA LAGUNA PITALITO-HUILA GRADO ONCE 2015
1. CUALES SON LAS UNIDADES DE TRABAJO Y POTENCIA EN EL SISTEMA INTERNACIONAL. 2. QUE ES TERMODINAMICA Y EXPLICA SU EXPRESION MATEMATICA 3. QUE ES RENDIMIENTO ENERGETICO Y EXPLIQUE SU FORMULA MATEMATICA
4. DE LAS SIGUIENTE LISTA DE MAQUINAS INVESTIGE SU RENDIMIENTO DADO EN PORCENTAJES Y BUSQUE SU SIGNIFCADO CON SU IMAGEN REPRESENTATIVA
BACTERIAS
TURBINAS EOLICAS
PLACAS SOLARES
MOTORES ELECTRICOS
TURBINAS HIDRAULICAS
LAMPARA
5. EN QUE CASOS NO ES APLICABLE EL PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA 6. QUE TIPO DE TRANSFORMACION DE ENERGIA LOGRAR LOS SIGUIENTES OBJETOS
AERO GENERDOR
MICROFONO
DINAMO DE UNA BICILETA
FUEGOS ARTICIALES
ARDE LA MADERA
MOTOR ELECTRICO
EXPLOCION DE URANIO
EXPLOCION DE BALA
7. PORQUE DECIMOS QUE LA ENERGIA NI SE CONSUME NI SE GASTA . 8. EXPLIQUE CUAL DE LAS ENERGIAS VISTAS ES LA MAS UTILIZADA EN LA ACTUALIDADJUSTIFIQUE.
9. INVESTIGUE EL CICLO DE ENERGIA Y ANEXE GRAFICO 10. QUE ES CALOR, TRANSFORMACION DE CALOR, MECANISMOS DE TRANSFROMACION DE CALOR. 11. ESCRIBE UNA TESIS JUSTICANDO QUIEN ES EL AUTOR DEL POSTULADO DE CONSERVACION DE ENERGIA 12 COMPLETE LA SIGUIENTE TABLA ENERGIA DE ENTRADA
DISPOSITIVO DE TRANSFORMACION
MUSCULAR HIDRAULICA QUIMICA SONORA MECANICA NUCLEAR
ENERGIA DE SALIDA MECANICA MECANICA TERMICA ELECTRICA ELECTRICA TERMICA
13. PREPARAR PARA LA PROXIMA CLASE DOS EXPERIMENTOS DE LA TRANSFORMACION DE LA ENERGIA NOTA: ELABORE GUIA CON OBJETIVO, MATERIALES, PROCEDIMIENTO Y COMO FUNCIONA.
1. CUALES SON LAS UNIDADESDE TRABAJO Y POTENCIA EN EL SISTEMA INTERNACIONAL.
2. QUE ES TERMODINAMICA Y EXPLICA SU EXPRESION MATEMATICA. Es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modernizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden tratarse por medio de la termodinámica. La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas». Tales estados terminales de equilibrio son, por definición, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica –todas las leyes y variables termodinámicas–, se definen de tal modo que podría decirse que un sistema está en equilibrio si sus propiedades pueden describirse consistentemente empleando la teoría termodinámica.5 Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que esté sometido. Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansión del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema tenderá a evolucionar de un estado de equilibrio a otro; comparando ambos estados de equilibrio, la termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes ECUACION MATEMATICA:
es la variación de energía del sistema, es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas, y
es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.
Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema. Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma ∆U = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (véase criterio de signos termodinámico).
3. QUE ES RENDIMIENTO ENERGETICO Y EXPLIQUE SU FORMULA MATEMATICA RENDIMIENTO ENERGETICO El rendimiento energético es la relación entre la energía que suministramos a un sistema y la energía útil que obtenemos realmente. Para calcular el rendimiento energético utilizamos la siguiente fórmula:
4. DE LAS SIGUIENTE LISTA DE MAQUINAS INVESTIGE SU RENDIMIEN TO DADO EN PORCENTAJES Y BUSQUE SU SIGNIFCADO CON SU IMAGEN REPRESENTATIVA
MAQUINA
BATERIAS
RENDIMIENTO CONCEPTO EN PORCENTAJE 98 % Al dispositivo que consiste en una o más celdas electroquímicas que pueden convertir la energía química almacenada en electricidad.
IMAGEN
TURBINAS EOLICAS
10 % AL 40%
Una turbina eólica o turbina de viento es una turbina accionada por la energía eólica. Se trata de una turbomáquina motora que intercambia cantidad de movimiento con el viento, haciendo girar un rotor.
PLACAS SOLARES
15%
MOTORES ELECTRICOS
80% AL 90%
Es un dispositivo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica) mediante energía solar térmica y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad mediant e energía solar fotovoltaica Es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas
TURBINAS 20% AL 95% HIDRAULICAS
Una Turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica
LAMPARAS
20% AL 80%
Son utensilios que proporcionan luz artificialmente. Desde un punto de vista más técnico, se distingue entre dos objetos y se llama lámpara al dispositivo soportado, al que produce la luz, también llamado bombilla o foco, siendo la luminaria el utensilio o aparato que le sirve de soporte
5. EN QUE CASOS NO ES APLICABLE EL PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA. APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA
•La termodinámica es útil para todo. Para empezar hay quede limitar a qué se dedica la termodinámica: •La termodinámica se ocupa de los intercambios energéticos entre los sistemas. •La termodinámica establece la espontaneidad de los procesos que se dan entre los sistemas. •La termodinámica es una rama de la física puramente empírica, por lo tanto sus aseveraciones son en cierto sentido absolutas. •Las utilidades, además de las ya comentadas se pueden agrupar en los siguientes campos esenciales (bajo mi punto de vista). •El estudio del rendimiento de reacciones energéticas. •El estudio de la viabilidad de reacciones químicas. •El estudio de las propiedades térmicas de los sistemas (como ya han comentado dilataciones, contracciones y cambios de fase). •Establece rangos delimitados de los procesos posibles en función de leyes negativas. •La termodinámica describe los sistemas con un conjunto reducido de variables, las conocidas como variables de estado, sin entrar en la estructura interna o las teorías fundamentales e subyacentes. 6. QUE TIPO DE TRANSFORMACION DE ENERGIA LOGRAR LOS SIGUIENTES OBJETOS. OBJETO
TRNASFORMACION.
AERO GENERADOR
Energía eólica a energía eléctrica. Energía sonora a energía eléctrica.
MICROFOFNO
DINAMO DE BICICLETA FUEJOS ARTIFICIALES ARDE LA MADERA MOTOR ELECTRICA EXPLOCION DE URANIO EXPLOCION DE BALA
Energía cinética a energía eléctrica Energía cinética a energía eléctrica Energía Química a energía calorífica Energía eléctrica a energía cinética. Energía química a Energía nuclear Energía química a Energía cinética
7. PORQUE DECIMOS QUE LA ENERGIA NI SE CONSUME NI SE GASTA. La energía no se crea ni se destruye, gasta o cualquier otra acción que implique su desaparición porque la energía no desaparece, solo se trasforma. Lo que pasa es que en la vida cotidiana se suele emplear la expresión de gasto de energía para referirnos a la energía útil, es decir la que nos resulta de provecho a nosotros. Por esto decimos que se consume, porque ya no es útil para nosotros, pero sigue habiendo, sólo que de otra manera. 8. EXPLIQUE CUAL DE LAS ENERGIAS VISTAS ES LA MÁS UTILIZADA EN LA ACTUALIDAD-JUSTIFIQUE. Energía hidroeléctrica: La energía hidroeléctrica es la fuente de energía renovable más utilizada del mundo, con una capacidad instalada mundial superior a los 1.000 GW, lo que representa más del 16% de la producción neta de electricidad en el mundo y más del 65% de la capacidad de generación de energía mundial a partir de fuentes renovables. El método más común para el aprovechamiento de este tipo de energía, implica la construcción de represas en los ríos y la liberación de agua desde los embalses para accionar un conjunto de turbinas, sin olvidarnos que, las plantas de tipo bombeo, también representan otro método de obtención de energía hidroeléctrica. 9. INVESTIGUE EL CICLO DE ENERGIA Y ANEXE GRAFICO
El ciclo de la energía dentro de un ecosistema se puede explicar como un proceso de continua captación y pérdida de energía. La energía solar, las sustancias minerales y el agua forman el fondo común de recursos del ecosistema, del que se
sirven las plantas verdes, que son los productores primarios. Las plantas, a su vez, devuelven sustancias minerales al fondo común y proporcionan además una fuente alimentaria a los animales herbívoros. Estos animales defecan y, por fin, se descomponen, con lo que devuelven así sustancias minerales al fondo común; pueden también ser consumidos antes por los carnívoros. Estos consumidores del segundo nivel también defecan y devuelven minerales al fondo de recursos; y, cuando mueren, son desintegrados por los organismos reductores, que obtienen de ellos energía y liberan también sustancias minerales. Del ecosistema se escapan por evaporación agua y sustancias minerales, pero son devueltas a él por la lluvia
10. QUE ES CALOR, TRANSFORMACION DE CALOR, MECANISMOS DE TRANSFROMACION DE CALOR. CALOR: El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura,
ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia). La energía calórica o térmica puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.
TRANSFORMACION DE CALOR Calor de transformación (o calor latente de cambio de estado) a la cantidad de calor que hay que suministrar a 1g de sustancia, que se encuentra a la temperatura de cambio, para que se produzca dicho cambio. Así, por ejemplo, para el hielo a 0ºC se necesitan 80 calorías por cada gramo para que pase al estado líquido (o el agua a 0ºC cede 80 cal/g cuando pasa al estado sólido. MECANISMOS DE TRANSFORMACIÓN DE CALOR: El calor es una energía que se transmite de unos cuerpos a otros mediante tres tipos de mecanismos diferentes:
Conducción: La conducción es la manera de transferir calor desde una masa de temperatura más elevada a otra de temperatura inferior por contacto directo. El coeficiente de conducción de un material mide la capacidad del mismo para conducir el calor a través de la masa del mismo. Los materiales aislantes tienen un coeficiente de conducción pequeño por lo que su capacidad para conducir el calor es reducida, de ahí su utilidad.
Convección: La transmisión de calor por convección es un intercambio de calor entre el aire y una masa material que se encuentran a diferentes temperaturas. El transporte del calor se produce por movimientos naturales debidos a la diferencia de temperaturas, el aire caliente tiende a subir y el aire frío baja, o bien mediante mecanismos de convección forzada.
Radiación: Es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas,
por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energía. El sol aporta energía exclusivamente por radiación. 11. ESCRIBE UNA TESIS JUSTICANDO QUIEN ES EL AUTOR DEL POSTULADO DE CONSERVACION DE ENERGIA ¿Quién es el autor del postulado de la conservación de la energía? Es la pregunta a resolver en este texto. Ya que según la historia este trabajo no fue de una sola persona, en realidad fueron varias las que de contribuyeron o aportaron de manera grande o pequeña y directa o indirecta ya que a mi criterio todos fueron importantes pero al final uno fue el que aprovecho el trabajo y estudio de los demás o más claramente la historia y la ciencia le atribuye la creación del postulado de la conservación de la energía. Bueno me especificare especialmente en los tres que más influyeron, quien de los tres fue al que finalmente se le atribuyo este postulado. Hay indicios desde que galileo experimentaba con planos inclinados, No fue hasta el siglo XIX que se formuló la ley de la conservación de la energía. Su formulación no recae claramente sobre una única persona como lo dije anteriormente si bien se considera que James Prescott Joule y William Thomson fueron los principales precursores, pero lastimosamente el postulado de la conservación de la energía no se les atribuye a ninguno de los dos. Se dice William Thomson era un colaborador y estrecho amigo de joule, joule ha hecho grande aportes a la ciencia, cabe destacar que desde pequeño tuvo una gran formación y los resultados de su buena educación y dedicación se ven reflejados en los aportes a la ciencia. Thomson seria quien extendería la formulación de la conservación a lo que hoy conocemos como primer principio de la termodinámica, tras basarse en un estudio de un científico llamado Carnot. Finalmente por unos años se le atribuyo el principio de la conservación de la energía a James Prescott Joule, Pero años más al medico tarde a Julius Robert Mayer se le atribuiría finalmente Ya que el médico llamado Julius Robert Mayer quien es denominado por muchas personas como el verdadero creador de la ley de la conservación de la energía, En 1840 se embarcaba como médico práctico en un barco holandés con destino a la isla de Java. Durante el viaje descubrió algo que le resultó especialmente llamativo: mientras practicaba las habituales sangrías observó que la sangre no era de color rojo oscuro, como estaba acostumbrado a ver en Europa, sino rojo brillante. Mayer quiso buscar una explicación. Sabía que el llamado calor animal, que antaño se confundía con la existencia de un fuego interno, era causado por la combustión del oxígeno de la sangre. Entonces, se preguntó Mayer, ¿no podría funcionar el cuerpo humano de forma parecida a una máquina de vapor? La suposición principal de Mayer era que tanto el calor corporal como el esfuerzo que realizamos provienen de un mismo sitio: los alimentos que comemos. La diferencia en el color de la sangre, decía Mayer, tiene su origen en que al vivir en
un lugar más cálido el cuerpo necesita quemar menos oxígeno para mantener la temperatura interna y, por tanto, la sangre apenas se oscurece. La consecuencia directa de estos razonamientos es que toda la energía que gastamos viene de lo que ingerimos. El cuerpo no consume más de lo que come, siguiendo el célebre dicho de «nadie da duros a cuatro pesetas» Donde en 1841 expondría el principio de la conservación de la energía, sin embargo nadie le hizo caso ya que no era físico ni científico sino que era medico quizás a su principio nunca le prestaron caso. Cuando pocos años después el mérito de este descubrimiento se lo llevó el inglés James Joule, el pobre Mayer luchó porque, al menos, se le atribuyera el mérito de ser el primer descubridor de la ley. En 1849, olvidado por sus colegas, sufrió un colapso mental y al año siguiente quiso suicidarse. Su estado psíquico era tal que tuvo que ser internado durante un año en una institución mental. El reconocimiento le llegó al final de sus días aunque le sirvió de muy poco. Hoy nadie le recuerda como el descubridor del principio de conservación de la energía, haciendo bueno el aforismo legal de «justicia retrasada es justicia denegada. Finalmente y años mas tarde dicho principio se le atribuye hasta la actualidad a Hermann Von Helmholtz quien descubrió el principio de conservación de la energía mientras estudiaba el metabolismo en los músculos. Trató de probar que no se pierde energía en los músculos en movimiento, porque eso también significaba que no existen "fuerzas vitales" para mover un músculo. Esto fue un rechazo de la tradición especulativa de la filosofía natural, que era en aquel tiempo un paradigma dominante en la fisiología alemana.Se le atribuye por que fue el primero en formular matemáticamente el principio de conservación de la energía. Aerca de esta cuestión escribió Helmholtz su primera obra notable, Sobre la conservación de la fuerza. Con esta célebre memoria, leída en 1847 ante la Sociedad Berlinesa de Física, Helmholtz se le atribuye dicho principio Helmholtz tuvo especialmente el mérito de extenderla también a los fenómenos eléctricos y magnéticos.Por otro lado el principio de la conservación de la energía establece que aunque la energía se puede convertir de una forma a otra no se puede crear ni destruir. 12 COMPLETE LA SIGUIENTE TABLA
ENERGIA DE ENTREDA
DISPOSITIVO DE ENERGIA DE TRANSFORMACION SALIDA
MUSCULAR HIDRAULICA QUIMICA SONORA MECANICA NUCLEAR
BICICLETA PRESA-TURBINA CALEFACION DE GASOLINA PARLANTES AEROGENERADOR MAQUINA TERMICA
MECANICA MECANICA TERMICA ELECTRICA ELECTRICA TERMICA
EXPERIMENTOS TRANSFORMACIONES DE LA ENERGIA.
PELOTAS SALTARINAS…!! OSCAR JULIAN GALINDO OBJETIVO Demostrar que la energía potencial puede transformarse en energía cinética y viceversa. MATERIALES * 1 Botella de plástico * Cinta Adhesiva * 2 Pelotas saltarinas de goma, una más pequeña que la otra * Tijeras PROCEDIMIENTO Corta un trozo de plástico de la botella. Con él debes fabricar un pequeño tubo cuyo diámetro será el de la pelota más grande. Con cinta adhesiva pegas el tubo para que no se desarme, y luego pegas la pelota en un extremo. Ahora sueltas la pelota más pequeña desde una altura “A” que tu elijas. Observa hasta que altura ha rebotado. Ahora coloca la pelota más pequeña dentro del tubo, y dejas caer todo desde la misma altura “A”. Como podrás notar, la pelota pequeña ha rebotado hasta una altura mucho mayor que cuando cayó sola. ¿Qué ha pasado? ¿COMO FUNCIONA? En este experimento de física, lo que ocurren son transformaciones de energía. Cuando elevamos la pelota pequeña hasta la altura “A”, generamos un trabajo sobre ella el cual queda almacenado como energía potencial. La fórmula para calcularla tiene la siguiente forma:
Ep=energía potencia; m=masa; g=aceleración de la gravedad; h=altura “A” (en este caso en particular) Cuando la soltamos, toda esa energía se va convirtiendo en energía cinética, a medida que la pelota se acelera, aumenta su velocidad y se acerca al piso. La fórmula con que se calcula la energía cinética es la siguiente:
Ec=energía cinética; m=masa; v=velocidad del cuerpo en un instante dado Cuando la pelota choca el piso, toda esa energía de movimiento (energía cinetica) se transforma en energía elástica, es decir, la goma se comprime y es allí donde se almacena la energía. Dicha energía es devuelta, y es por eso que la pelota se acelera nuevamente hacia arriba, hasta una determinada altura. Si todo fuese ideal y “perfecto” la altura de rebote debería ser igual a la altura “A” desde donde la soltamos. Pero en todo proceso real hay “pérdidas”, y en esta caso en particular parte de la energía cinética se transforma en calor al momento del impacto. Ahora analicemos el caso en que soltamos ambas pelotas desde la misma altura “A”. No cabe duda que al ser mayor ahora la masa total, hay mas energía potencial almacenada. La velocidad al momento de tocar el piso será la misma que cuando soltamos la pelota sola, pues ésto se debe solamente a la aceleración de la gravedad, la cual no varía. Pero si habrá mas energía cinética, obviamente porque la masa es mayor. Toda esa energía se transforma en energía elástica al momento del impacto, y es luego liberada, pero la disposición de una pelota sobre la otra impide que la mayor rebote. ¿Y qué sucede entonces con la energía de ella? Esta energía es transferida a la pelota más pequeña. Ello explica porque la altura de rebote es mayor que la altura “A” desde la cual se soltó el sistema. Recuerda siempre lo siguiente: La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma
Es justamente por lo anterior, que cuando soltamos solamente la pelota pequeña, la misma nunca podrá alcanzar al rebotar una altura mayor a la “A”, ya que si no estaríamos “creando energía”, lo cual es imposible. Como dijimos antes, en los procesos reales parece que esto no ocurre (conservación de la energía), pero en realidad lo que sucede es que parte de la energía suele transformarse en calor, luz, sonido, etc.
EXPERIMENTO 2
COHETE DE ALUMINIO. YHAN CARLOS MOLINA OBJETIVO: Transformar la energía calorífica a potencial MATERIALES.
FOSFORO ALUMINIO
PROCEDIMIENTO Envolvemos un trozo de papel aluminio al fosforo y luego lo ponemos en un lugar despejado y encendemos la punta del fosforo. ¿COMO FUNCIONA? Al encender el fosforo le estamos aplicando energía calorífica, que genera la expulsión de gases a gran velocidad, lo que provoca que esta energía calorífica sea transformada en energía cinética, que se manifiesta con el movimiento brusco del fosforo.