1 TRABAJO Y ENERGÍA. 2 EL TRABAJO A B X Y O Cuando una fuerza constante aplicada sobre un cuerpo,...
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TRABAJO Y ENERGÍATRABAJO Y ENERGÍA
2
EL TRABAJOEL TRABAJO
A
B
rB
rA
F
F
r
X
Y
O
Cuando una fuerza constante aplicada sobre un cuerpo, lo mueve desde el punto A a otro B, se denomina trabajo realizado por la fuerza sobre el cuerpo, al producto:
F
cosrFW
Según sea el ángulo formado entre la fuerza aplicada y el vector desplazamiento:
Si = 0º cos 0º = 1 el trabajo realizado es máximo
Si 0º 90º W 0 es el llamado trabajo motor
Si = 90º cos 90º = 0 el trabajo realizado es nulo
Si 90º 180º W 0 es el llamado trabajo resistente
Se define el trabajo W de dicha fuerza como el producto escalar de los vectores fuerza y desplazamiento:
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X
F
O
Fx
W Área =
Fx.x
Una fuerza constante Fx actúa en la dirección del eje X sobre un cuerpo y lo desplaza en esa misma dirección: x = xf x0
Al representar Fx en función de x, el área comprendida será Fx x, que coincide numéricamente con el trabajo realizado por la fuerza
Este resultado es válido aunque la fuerza no sea constante
xxo x1
POTENCIAPOTENCIA
La Potencia mide la rapidez con que se realiza un trabajo se mide en J/s= vatios (w)El caballo de vapor es una unidad de potencia, que aunque no pertenece al S.I. sigue siendo muy usada. 1CV = 735 w.
La Potencia mide la rapidez con que se realiza un trabajo se mide en J/s= vatios (w)El caballo de vapor es una unidad de potencia, que aunque no pertenece al S.I. sigue siendo muy usada. 1CV = 735 w.
t
WP
t
WP
La potencia puede expresarse en función de la velocidad vF
t
rF
t
WP
.
.
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ENERGÍAENERGÍA
La energía es una cualidad de los cuerpos que permite que se puedan producir cambios en ellos mismos y en otros
Formas de presentarse la energía:
La energía se presenta en formas diversas y se puede transformar de una en otra
La energía se conserva en los cambios, aunque se degrada al pasar de formas más útiles a menos útiles
Energía química: la energía de los alimentos y de la gasolina Energía eléctrica: como la suministrada por la batería de un coche
Energía de movimiento debida a la velocidad del móvil
Energía de posición debida a la altura sobre el suelo en la que se encuentra el móvil
Energía luminosa como aquella que radia una bombilla
Otras (como la calorífica, eólica, térmica, atómica, ...)
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Energía cinética
Energía potencial
Energía mecánica
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ENERGÍA CINÉTICAENERGÍA CINÉTICA
vm21E 2
c
La bala tiene mucha energía cinética por salir con velocidad muy elevada
El tren tiene mucha energía cinética por tener una gran masa
Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su estado en movimiento
Es directamente proporcional al producto de la masa del cuerpo por el cuadrado de su velocidad.
Todo cuerpo en movimiento tiene capacidad de realizar un trabajo, el cual se pone de manifiesto cuando el objeto se detiene bruscamente (estrellándose por ejemplo). Dicha energía se invierte en un trabajo de destrozo.
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ENERGÍA POTENCIALENERGÍA POTENCIAL
Un muelle estirado tiene energía almacenada, llamada energía potencial elástica, capaz de realizar un trabajo para recuperar su forma inicial
Ep = m g h
h1m1
h2
m2
Si m1 = m2 y h2 h1 EpEp 12
Un combustible, posee energía potencial química capaz de liberar calor
Un condensador cargado almacena energía potencial eléctrica capaz de encender una lámpara
Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su estado de reposo
Esta energía es debida a la posición que ocupan los cuerpos respecto al centro de la Tierra. Por eso se llama energía potencial gravitatoria
Hay otras clases de energía potencial, como por ejemplo:
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TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVASTEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS
x0 x1x
v0
F
Fvf
Y
XW = Fx x cos 0 = Fx x
Fx = m ax W = m ax x xa2vv x
22f 0
W = Ec
EcEcvm21vm
21
2vv
mW 000f
22f
22f
El trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo se emplea en variar la energía cinética del mismo
El trabajo realizado por Fx cuando el cuerpo experimenta un desplazamiento x es:
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TRABAJO Y ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIATRABAJO Y ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA
y1
y2
x
F
P
v = cte m
Se quiere elevar a v = cte un objeto de masa m situado sobre una mesa de altura y1 hasta una estantería de altura y2
Debemos realizar una fuerza hacia arriba igual al peso m g, desplazándolo una distancia y
El trabajo realizado por la fuerza será:
Wf = F y = m g y = m g y2 m g y1
Wf = Ep2 Ep1 = Ep
Como v = cte, el trabajo total será cero, luego el trabajo realizado por el peso del cuerpo será:
Wp = Wf = Ep El trabajo realizado en elevar un cuerpo se emplea en
aumentar su energía potencial gravitatoria.
El trabajo realizado por el peso tiende a llevarlo al equilibrio y por tanto disminuye su energía potencial.
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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICACONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA
Punto 1
Punto 2
h
h1
h2
m Un objeto de masa m cae al vacío desde una
altura h . Calculamos la Ec y Ep en dos puntos 1 y 2 del recorrido
En el punto 1
)hh(g2v11
vm21Ec
2
11 Ec1 = m g (h h1)
Ep1 = m g h1
En el punto 2
)hh(g2v 22
vm21Ec
2
22 Ec2 = m g (h h2)
Ep2 = m g h2
Ec = Ec2 Ec1 = m g (h1 h2)Ep = Ep2 Ep1 = m g (h2 h1)
Ec1 + Ep1 = Ec2 + Ep2
Si las únicas fuerzas que realizan trabajo sobre un cuerpo son conservativas (como el peso o la fuerza elástica), su energía mecánica se mantiene constante
= 0V0 = 0
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ENERGÍA TÉRMICAENERGÍA TÉRMICA
Cuando dos cuerpos a distinta temperatura, se ponen en contacto, al cabo de cierto tiempo se acaban igualando sus temperaturas. Se dice que se ha logrado el equilibrio térmico
Se define temperatura como la propiedad común a los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico
La temperatura se mide con los termómetros
El termómetro alcanza el equilibrio térmico con la muestra y nos indica la temperatura de la misma
Agua fría Agua templada Agua caliente
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Escalas termométricasEscalas termométricas
Escala Celsius (ºC)
Hielo fundente (0 ºC)
0 ºC
100 ºC
Agua hirviendo (100 ºC)
Establecido por Anders Celsius en 1741
Utiliza dos temperaturas de referencia que se llaman puntos fijos
Se divide el intervalo en 100 partes siendo cada una de ellas 1 ºC
Escala Fahrenheit (ºF)
Utilizada en el mundo anglosajón y emplea los mismos puntos fijos que la escala centígrada pero los marca con los números 32 (fusión) y 212 (ebullición), dividiendo el intervalo en 180 partes, siendo cada una, un grado Fahrenheit (1 ºF)
18032)F(ºT
100)C(ºT
Escala Kelvin (ºK)Propuesta por Lord Kelvin en 1854. Es la llamada escala de temperaturas absolutasSitúa el 0 ºK en la temperatura a la que las moléculas de un cuerpo, no poseen
energía cinética (273,16 ºC)
T (ºK) = T (ºC) + 273,16
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EL CONCEPTO DE TEMPERATURAEL CONCEPTO DE TEMPERATURA
T1 T2 > T1
Las partículas del gas son muy pequeñas comparadas con la distancia que las separa
Las partículas están en continuo movimiento, chocando entre sí y contra las paredes
Se mueven en todas direcciones, con velocidades distintas en módulo
El número de partículas cuya velocidad tiene el mismo módulo, presenta un máximo para cada temperatura, el cual crece con la temperatura del gas
La teoría cinética explica la presión del gas como consecuencia de los choques, así como la temperatura, que es directamente proporcional a la energía cinética media de translación por partícula / k es la cte de Boltzmann cuyo valor esTk
23Ec
k = 1,38 1023 J/molécula
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El sistema recibe una cantidad de calor Q
QT1
El sistema se encuentra a temperatura T1
La temperatura final del sistema es T2 > T1
T2
Cantidad de calor es la energía que intercambian dos sistemas a distinta temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico
Q = C (T2 T1)La cantidad de calor Q aportada al sistema es
La constante de proporcionalidad es la capacidad calorífica del cuerpo (J/grado)
El calor específico de la sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa:
mCce Se mide en J/kg . K, o bien J/kg . ºC
En consecuencia diremos que: Q = m ce (T2 T1)
TEMPERATURA : Es la manifestación externa del estado de movimiento de las partículas de un cuerpo. Nos informa sobre la energía interna de dicho cuerpo.
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EL CALOR PRODUCE CAMBIOS DE ESTADOEL CALOR PRODUCE CAMBIOS DE ESTADO
SÓLIDO LÍQUIDO GAS
Sublimación
Sublimación
Licuefacción o condensaciónSolidificación
Cambios progresivos ()( absorben Q )
Cambios regresivos ()( desprenden Q )
FusiónLf
VaporizaciónLv
Calor latente de cambio de estado L es la cantidad de calor que necesita una unidad de masa de una sustancia para cambiar de estado Q = m L