Trabajo,Potencia y Energia : Trabajo de Monografia Semana 1 PDF

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Trabajo,Potencia y Energia : Trabajo de Monografia Semana 1
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Universidad Tecnológica De Santiago UTESA

Nombre: Crismery Gómez Tapia

Tema: Trabajo Potencia y Energía

Matricula: 213-6544

Asignatura: Física II

Profesor: Cristian Antonio Perez

Introducción

En el presente trabajo estaremos analizando los conceptos relacionados con el trabajo, potencia y energía tomando en cuenta sus unidades, características y formulas los cuales nos llevaran a tener más claridad con relación a su estudio.

Trabajo El trabajo en Física es la transferencia de energía que lleva a cabo una fuerza cuando se mueve el objeto sobre el cual actúa. Matemáticamente toma la forma del producto escalar entre los vectores fuerza F y desplazamiento s.

Y dado que el producto escalar entre dos vectores perpendiculares es nulo, ocurre que las fuerzas que forman 90º con el desplazamiento no hacen trabajo, según la definición, ya que: W = F ● s = F⋅ s⋅ cos θ Donde W denota al trabajo, por la palabra inglesa work. La ventaja de definir el trabajo es que se trata de un escalar, es decir, no tiene dirección ni sentido, tan solo módulo y la respectiva unidad. Esto hace que sea más fácil llevar a cabo los cálculos que involucran cambios de energía causados por la acción de fuerzas. La gravedad y el roce cinético son ejemplos de fuerzas que con frecuencia hacen trabajo sobre los objetos en movimiento. Otra fuerza común es la normal que ejerce una superficie, pero a diferencia de aquellas, esta nunca hace trabajo sobre los objetos, por ser perpendicular al desplazamiento. El trabajo se calcula mediante: W=F●s

Esta expresión es válida para fuerzas constantes y según la definición de producto escalar, equivale a: W = F. s. cos θ Donde θ es el ángulo que hay entre la fuerza y el desplazamiento. Se deduce pues, que únicamente aquellas fuerzas que tienen una componente en la dirección del desplazamiento pueden hacer trabajo sobre un cuerpo. Y también se hace evidente que, si no hay movimiento, tampoco hay trabajo. En cuanto al signo, el trabajo puede ser positivo, negativo o cero. En caso de que la fuerza tenga una componente paralela al movimiento, el signo del trabajo depende del valor de cos θ. Hay algunos casos particulares que vale la pena considerar: •

Cuando la fuerza es paralela al desplazamiento, el ángulo entre F y s es 0º, por lo tanto el trabajo realizado por la fuerza es positivo y su valor es máximo:

W = F⋅s cos 0º = F⋅s •

Si la fuerza se opone al desplazamiento entonces el ángulo entre F y s es 180º, el trabajo realizado por F es negativo y es mínimo:

W = F⋅s cos 180º = -F⋅s •

Por último se tiene el caso mencionado antes: si el ángulo formado por F y s es 90º, como cos 90º = 0, el trabajo es nulo:

W = F⋅s cos 90º = 0

Unidades de trabajo La unidad para el trabajo en el Sistema Internacional es el joule, abreviado J. La unidad toma su nombre del físico inglés James Prescott Joule, pionero en el estudio de la Termodinámica. A partir de la ecuación del trabajo, el joule se define como 1 newton por metro: 1 J = 1 N⋅m

Unidades en el sistema británico Al trabajo le corresponde como unidad la libra-fuerza x pie, a veces llamada pie libra-fuerza. Es también una unidad para la energía, pero hay que recordar que el trabajo hecho sobre un cuerpo cambia su estado energético y que, por lo tanto, el trabajo y la energía son equivalentes. No es de extrañar que tengan las mismas unidades. La equivalencia entre el pie libra-fuerza y el joule es la siguiente: 1 pie libra-fuerza = 1,35582 J Una unidad muy conocida para el trabajo y la energía, sobre todo para el ámbito de la refrigeración y los aires acondicionados es el BTU o British Thermal Unit. 1 BTU equivale a 1055 J y a 778.169 pie libra-fuerza.

Otras unidades para el trabajo Existen otras unidades para el trabajo que se emplean en áreas específicas de la física y la ingeniería. Entre ellas tenemos:

Ergio Denotado como erg, es la unidad de trabajo en el sistema cegesimal y equivale a 1 dina⋅cm o 1 x 107 J.

Electronvoltio Abreviado eV, se usa comúnmente en física de partículas y se define como la energía que adquiere un electrón cuando se mueve a través de una diferencia de potencial de 1 V.

Kilovatio-hora (kWh) Aparece con frecuencia en los recibos de las compañías de electricidad. Es el trabajo desarrollado durante 1 hora por una fuente cuya potencia es 1 kW, equivalente a 3.6 x 106 J.

Caloría Suele relacionarse con la energía de los alimentos, aunque en realidad en este contexto se hace referencia a una kilocaloría, es decir, 1000 calorías. En realidad, son varias las unidades que reciben este nombre, así que se debe especificar muy bien el contexto. La equivalencia entre el joule y 1 caloría termoquímica es: 1 caloría = 4.1840 J

Ejemplos de trabajo Ascenso y descenso de objetos Cuando los cuerpos descienden, ya sea verticalmente o por una rampa, el peso hace trabajo positivo, favoreciendo el movimiento. En cambio, siempre que un objeto asciende, la gravedad hace trabajo negativo.

Cargas puntuales en campos eléctricos Un campo eléctrico uniforme hace trabajo sobre una carga puntual que se mueve en su interior. Dependiendo del campo y el signo de la carga, este trabajo puede ser negativo o positivo.

Rozamiento entre superficies El rozamiento cinético entre superficies siempre hace trabajo negativo sobre el objeto que se desplaza.

Empujar y tirar

Empujar es una fuerza que aleja un objeto de algo. Tirar es una fuerza que hace que un objeto se traiga más cerca.

Fuerza en una polea

Una polea es un sistema que se utiliza para transmitir una fuerza desde uno de sus extremos. En una polea simple, para lograr levantar la carga, hay que aplicar una fuerza igual a la resistencia que ejerce el objeto.

Fuerzas normales o apoyos

La normal, como se indicó antes, hace un trabajo nulo cuando un objeto apoyado sobre una superficie se mueve sobre esta, aun si la superficie no es plana o si está inclinada.

Potencia La potencia en física es una magnitud escalar usada para indicar la rapidez con la que se hace trabajo, o bien se dispensa o consume energía. Es el factor clave para determinar qué tan eficiente es una maquinaria, así como para optimizar el consumo energético.

En general, la potencia se expresa como:

Fórmulas En primer lugar, se define la potencia media Pm, como el cociente entre la cantidad de trabajo realizado ΔW y el tiempo Δt que tomó hacerlo:

En el Sistema Internacional de Unidades SI, la potencia se mide en joule/segundo, unidad que se denomina watt o vatio, para honrar al ingeniero escocés James Watt (1736-1819), quien contribuyó al desarrollo de la máquina de vapor. Otras unidades para la potencia son: •

Caballo de vapor (CV).

•

Caballo de potencia (hp o horse power).

•

Ergios/segundo.

•

Pie∙libra/segundo.

•

Calorías/segundo.

•

Kilográmetro/segundo.

•

Btu/hora.

Algunas equivalencias se dan a continuación: •

1 hp = 550 pie∙libra/segundo = 745.7 W = 2545 Btu/h

El kilovatio-hora que aparece con frecuencia en la factura de la electricidad, no es una unidad de potencia, sino de energía, así como el Btu o British Thermal Unit, unidad ampliamente utilizada en el ámbito de la refrigeración y los aires acondicionados. La potencia instantánea P se calcula tomando un intervalo de tiempo muy pequeño. Haciendo Δt→0 en la potencia media se transforma en la potencia instantánea, que se expresa entonces como la derivada del trabajo con respecto al tiempo:

Eficiencia La eficiencia de una maquinaria se mide comparando el trabajo útil que realiza con la energía necesaria para ponerla en marcha. Ocurre que por más perfecta que sea una maquinaria, nunca va a transformar en trabajo útil toda la energía que se le aporta. Cuando hay piezas móviles, la fricción se encarga de transformar una parte en calor y otra probablemente en sonido, mismas que no se aprovechan. Según lo explicado antes, la eficiencia mecánica ε queda como:

Con Ws el trabajo de salida y Ee la energía de entrada. Al multiplicar por 100%, se obtiene la eficiencia porcentual, que también se puede hallar a través del cociente entre la potencia de entrada Pe y la potencia de salida Ps:

Por ejemplo, si una máquina tiene una eficiencia del 45 %, significa que solamente el 45% de la energía aportada sirve para el propósito de la máquina, y el 55% restante se pierde en calor, sonido u otra forma de energía.

Tipos de potencia La potencia puede ser desarrollada por diferentes clases de fuerzas, así se tiene la potencia mecánica, asociada a los objetos móviles, la potencia eléctrica, la sonora, la térmica y más.

Potencia mecánica Un objeto en movimiento desarrolla una potencia relacionada con su velocidad. Puesto que el trabajo se define como el producto escalar entre la fuerza y el desplazamiento, se produce una potencia instantánea dada por:

Donde:

Al sustituir esta ecuación en la anterior, se obtiene que la potencia mecánica es el producto escalar entre el vector fuerza y el vector velocidad:

Potencia eléctrica Es la tasa a la que entrega energía una fuente o batería, a una carga puntual q. Puede que esta entrega no se haga a una tasa constante, por lo que se define una potencia media:

Donde V es el voltaje y Δt es el intervalo de tiempo. Si la corriente y el voltaje son constantes en el tiempo, la corriente es: I = q/Δt

Y la potencia asimismo es constante, expresándose como: P = I∙V

Potencia sonora Las ondas sonoras transportan energía a medida que se propagan, gracias a la presión sobre las partículas del medio. Para ellas se usa el concepto de intensidad sonora, que es la potencia por unidad de área, que se mide en W/m2 en SI:

La potencia total se calcula mediante la integral sobre la superficie S:

La superficie podría ser, por ejemplo, una esfera de radio r.

Potencia térmica Es la tasa a la que un determinado sistema libera energía en forma de calor:

Ley de Stefan-Boltzmann Para el calor que se transmite por radiación es válida la ley de Stefan-Boltzmann:

Donde: •

T es la temperatura en kelvin.

•

σ es la constante de Stefan-Boltzmann: σ = 5.67 ×108 W/(m2 K4).

•

La emisividad del material es e, cuyo valor está comprendido entre 0 y 1 y es propia de cada material.

•

A es el área superficial del cuerpo.

Ejemplos de potencia en física Aires acondicionados y calefactores Los equipos de aire acondicionado y calefacción se clasifican por su potencia. Los fabricantes y diseñadores tienen fórmulas empíricas para calcular la potencia que debe tener un equipo para climatizar adecuadamente una habitación con ciertas dimensiones.

Bombillas de luz Las personas suelen guiarse por la potencia de una bombilla eléctrica para saber lo brillante que es.

Electrodomésticos Todos los electrodomésticos indican en sus etiquetas la potencia que consumen para cumplir su función.

Maquinarias Las maquinarias en general, como las grúas, por ejemplo, se clasifican según la potencia que desarrollan para levantar pesos.

Ventiladores mecánicos para pacientes en UCI La potencia de un ventilador mecánico para personas en cuidados intensivos es monitoreada cuidadosamente para evitar lesiones pulmonares a los pacientes.

Energía La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, el concepto de energía se define como la capacidad de hacer funcionar las cosas. La unidad de medida que utilizamos para cuantificar la energía es el joule (J), en honor al físico inglés James Prescott Joule. Sin ser muy riguroso podríamos decir que es una medida de la capacidad de un ente físico para producir trabajo (magnitud asociada a la fuerza y al movimiento). La energía es la capacidad para realizar un trabajo.

Unidades de la energía Las unidades para medir la energía se utilizan dependiendo de la fuente o la forma de generación. A continuación, se presentan las principales:

Julio o Joule (J) En el Sistema Internacional de unidades (SI) la energía se mide en joule (J), nombre otorgado en honor al físico inglés James Prescott Joule (1818-1889). Un joule se define como la cantidad de trabajo realizado por la fuerza constante de un newton (N) al desplazar un cuerpo de un kilogramo una distancia de un metro, en la misma dirección de la fuerza. Caloría (cal) La caloría corresponde a una unidad del Sistema Técnico de Unidades que representa la energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. Esta unidad es muy utilizada para expresar el aporte energético de los alimentos. Se debe distinguir entre la llamada “caloría chica” (cal) y la “caloría grande” (Cal), ya que esta última corresponde a la energía necesaria para elevar en un grado Celsius un kilogramo de agua. Las equivalencias entre caloría y joule es la siguiente:

Teracaloría (Tcal) La Teracaloría (Tcal) corresponde a la unidad de energía utilizada por la Agencia Internacional de Energía para establecer equivalencias, realizar informes y balances. Esta unidad corresponde a un trillón de calorías, es decir:

British Thermal Unit (BTU) El BTU es una unidad de energía utilizada principalmente en Estados Unidos, que corresponde a la necesaria para elevar en un grado Fahrenheit una libra de agua. Su equivalencia con la caloría y el joule es la siguiente:

El Watt por hora (Wh) Corresponde a la energía necesaria para sustentar o producir cierta potencia por un tiempo determinado. Esta unidad se emplea habitualmente para cuantificar la energía eléctrica. Generalmente se utilizan múltiplos del Wh, los principales son:

Tonelada equivalente de petróleo (tep) Esta unidad es utilizada habitualmente en la producción de energía termoeléctrica y corresponde a la suministrada por una tonelada de petróleo. Se han establecido de forma convencional las siguientes equivalencias:

Tonelada equivalente de carbón (tec) Corresponde a la energía que puede suministrar una tonelada de carbón. Su equivalencia es la siguiente:

Tipos de Energía La energía puede aparecer en diversas formas o tipos, que son los siguientes: • Energía Eléctrica. Es la energía electromagnética que se produce desde la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, que se resuelve en un intercambio de electrones denominado electricidad. • Energía Cinética. Está estrechamente relacionada con la energía mecánica, tiene que ver con el movimiento de objetos o partículas en un sistema físico puntual. Gracias a ella es que los objetos se mueven. • Energía Eólica. Energía producida utilizando el empuje del viento. • Solar. Es producida por el sol y su radiación calórica y lumínica. • Atómica o nuclear. Este tipo de energía es el que deriva de los núcleos atómicos y las fuerzas que están unidas a las partículas subatómicas: vendrían a ser las llamadas fuerzas nucleares fuertes y débiles. • Potencial. Es la energía que se encuentra en un sistema físico o en un objeto específico en una situación determinada y que a su vez podría transformarse en otro tipo de energía como calor o movimiento. • Química. Es la encargada de las uniones atómicas y reacciones moleculares, fundamental para la vida, hace que funcione el metabolismo de los seres vivos. • Calórica o térmica. Como lo dice su nombre, se relaciona con la temperatura y el grado de calor: si un objeto aumenta en calor, también aumentará en energía calórica. • Magnética. Tiene que ver con las relaciones ferromagnéticas: que vendrían a ser las que producen la atracción entre un imán y algunos metales. • Interna. Se denomina Energía Interna a la suma de la energía de todos los elementos que forman un sistema físico específico. • Hidráulica. Este tipo de energía es producida por el empuje cinético del agua, que puede ser de ríos, mareas o caídas de agua como cascadas. • Lumínica. Como su nombre lo dice, asociada a la luz. • Sonora. Es la energía propia del sonido y la propagación de sus ondas.

Propiedades de la energía

La energía tiene 4 propiedades básicas: •

Se transforma. La energía no se crea, sino que se transforma y es durante esta transformación cuando se manifiestan las diferentes formas de energía.

•

Se conserva. Al final de cualquier proceso de transformación energética nunca puede haber más o menos energía que la que había al principio, siempre se mantiene. La energía no se destruye.

•

Se transfiere. La energía pasa de un cuerpo a otro en forma de calor, ondas o trabajo.

•

Se degrada. Solo una parte de la energía transformada es capaz de producir trabajo y la otra se pierde en forma de calor o ruido (vibraciones mecánicas no deseadas).

Energía Cinética y potencial

La energía cinética es la que posee un cuerpo gracias a su movimiento. Es definida en física como el trabajo requerido para que un cuerpo acelere y pase de reposo a una velocidad específica. Cuando el cuerpo consigue esta energía, se mantiene a menos que su velocidad cambie. Para que el cuerpo vuelva al estado de reposo es necesario un trabajo negativo con la misma magnitud que la energía cinética para frenarlo.

Características de la energía cinética: • • • • •

Es una de las manifestaciones de la energía. Es transferible de un cuerpo a otro. Se puede transformar en otras clases de energía; por ejemplo, en energía calorífica. Hay que aplicar fuerza para comenzar el movimiento. Depende de la velocidad y la masa del cuerpo.

La energía cinética por su parte se manifiesta cuando los cuerpos se mueven y está asociada a la velocidad. Se calcula con la fórmula:

La energía potencial es la energía que los cuerpos poseen en virtud de su configuración. Cuando los objetos interactúan, existen entre ellos fuerzas capaces de realizar trabajo, y esta capacidad de hacer trabajo, que se almacena en la disposición que tienen, puede traducirse en energía.

La energía potencial hace referencia a la posición que ocupa una masa en el espacio. Su fórmula es:

Tipos de energía potencial Puesto que la energía potencial deriva siempre de fuerzas conservativas como las ya mencionadas, se habla de energía potencial gravitatoria, energía potencial elástica, energía potencial electrostática, energía potencial nuclear y energía potencial química.

Energía potencial gravitatoria Cualquier objeto posee energía potencial en función de la altura que tienen respecto al suelo. Este hecho tan simple en apariencia ilustra porque la caída de agua es capaz de impulsar turbinas y transformarse eventualmente en energía eléctrica. El ejemplo de los esquiadores que se muestra aquí también muestra la relación del peso y la altura con la energía potencial gravitatoria.

Otro ejemplo es el de un vagón de montaña rusa, el cual tiene mayor energía potencial cuando se encuentra a cierta altura sobre el suelo. Una vez que ha llegado al nivel del piso, su altura es igual a cero y toda su energía potencial se ha transformado en energía cinética (energía de movimiento).

Energía potencial elástica Objetos tales como resortes, arcos, ballestas y ligas son capaces de almacenar energía potencial elástica.

La elasticidad de un cuerpo o de un material se describe mediante la ley de Hooke (hasta ciertos límites), que nos dice que la fuerza capaz de ejercer cuando está comprimido o estirado es proporcional a su deformación.

Por ejemplo, en caso de un resorte o muelle, esto...