Contenido del blog dirigido al área de Ciencias Experimentales como material de apoyo para la asignatura de Conservación de la energía y sus interacciones con la materia.
La transformación de la energía es un fenómeno que describe el cambo de una forma de energía a otra, este fenómeno está regulado por la ley de conservación de la energía, que establece que la energía total en un sistema aislado se mantiene constante con el tiempo, aunque puede cambiar de forma.
Algunos ejemplos de transformaciones de energía:
La generación de electricidad, donde la energía mecánica se transforma en energía eléctrica a través de generadores.
La combustión, donde la energía química almacenada en combustibles se convierte en energía térmica y energía mecánica.
La fotosíntesis, cuando la energía luminosa se transforma en energía química en las plantas.
El efecto fotoeléctrico, en el que la energía luminosa se transforma en energía eléctrica.
Segunda ley de la termodinámica.
Establece que, en un sistema aislado, la entropía, que es una medida del desorden o la aleatoriedad, nunca disminuye. Es decir, los sistemas tienden naturalmente hacia un estado de mayor desorden y aleatoriedad.
Formulación de Clausius. Establece que el calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo más frío a uno más caliente: un cubo de hielo se derrite en una bebida caliente, pero el calor del hielo no pasa a la bebida para calentarla aún más.
Formulación de Kelvin-Planck. Afirma que es imposible construir un dispositivo que, operando en un ciclo, convierta completamente el calor absorbido en trabajo: cualquier máquina térmica real (como un motor de combustión interna) siempre tendrá menos del 100% de eficiencia.
🔍Las leyes de la termodinámica.
Pérdidas de calor.
Se refieren a la transferencia no deseada de energía térmica desde un sistema hacia su entorno. Una vez que la energía se ha disipado como calor hacia los alrededores del sistema, no puede transformarse en otra forma de energía útil, por eso se le llama pérdida de calor.
Desde la antigüedad, el filósofo griego Heráclito capturó la esencia de la naturaleza con su famosa declaración: "La única constante es el cambio". Esta observación refleja una verdad universal acerca de nuestra realidad: las diferentes estaciones cambian el paisaje, que evoluciona con la vida de la flora y la fauna, las aguas fluyen en un ciclo que se repite continuamente, cada año trae consigo signos de nuestro envejecimiento y, en una escala aún más amplia, nuestro propio planeta y el sistema solar que lo acoge, se desplazan a velocidades inimaginables a través del espacio interestelar. Nada permanece estático en el mundo natural, y esto también aplica para la energía.
Primera ley de la termodinámica.
La primera ley de la termodinámica, conocida como la ley de la conservación de la energía dicta que, en un sistema aislado, la energía nos e crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra. Esta ley es el resultado de la labor conjunta de varios científicos del siglo XIX, cuyos trabajos proporcionaron la base para su construcción.
Julius Robert Mayer fue uno de los primeros en formular el principio de conservación de la energía. En 1842, propuso que la energía puede convertirse de una forma a otra, pero la cantidad total de la energía se mantiene constante. Su percepción surgió de sus observaciones sobre la sangre venosa, que era inusualmente roja en los marineros durante su viaje por los trópicos, llevándolo a razonar que menos trabajo era necesario para mantener la temperatura corporal en climas cálidos, lo que significa que el trabajo se había convertido en calor.
James Prescot Joule experimentó con la naturaleza del calor y descubrió su relación con el trabajo mecánico. Su experimento más famoso, que incluía el agitar agua con paletas movidas por la caída de pesas, demostró que el trabajo mecánico podía transformarse en calor, estableciendo la equivalencia entre ambos. Estos experimentos, realizados en la década de 1840, fueron fundamentales para el desarrollo de la teoría de la conservación de la energía.
Hermann Von Helmholtz, formuló de manera independiente la ley de conservación de la energía en su obra de 1847 "Sobre la conservación de la fuerza". Presentó una formulación matemática y un argumento filosófico para la conservación de la energía, influyendo en la aceptación de la ley en la comunidad científica.
La consolidación de estas ideas en la primera ley de la termodinámica ha tenido un profundo impacto en el mundo industrial. En la actualidad, esta ley fundamenta el diseño y operación de motores y generadores, permitiendo la conversión eficiente de energía química en mecánica y eléctrica. En sistemas de refrigeración y calefacción, facilita la transferencia de energía térmica de manera controlada. En el campo de la química, guía el desarrollo de procesos que transforman materias primas en productos químicos eficientemente. Además, la ley es crucial en la evaluación de la eficiencia energética de los procesos industriales, ayudando a minimizar el desperdicio de energía y a maximizar la producción de energía útil.
La primera ley de la termodinámica se puede expresar con la fórmula:
Donde:
ΔU es el cambio en la energía interna del sistema.
Q es la cantidad de calor agregado al sistema (valor positivo indica que el calor es absorbido por el sistema y el valor negativo indica que el calor es liberado por el sistema).4
W es el trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores (valor positivo indica que el trabajo es realizado por el sistema y el valor negativo indica que el trabajo es realizado sobre el sistema).
🔍Primera ley de la termodinámica.
Algunos ejemplos de aplicación de la fórmula de la primera ley de la termodinámica.
Ejemplo 1.
Una reacción exotérmica dentro de un calorímetro libera 2500 J de calor. Si el calorímetro realiza 300 J de trabajo al expandirse durante la reacción ¿Cuál es el cambio en la energía interna del sistema químico?
Datos:
Q = -2500 J (negativo porque es liberado por el sistema).
W = 300 J (positivo porque es realizado por el sistema).
Fórmula:🛆U = Q - W
Sustitución:🛆U = (-2500 J) - (300 J)
🛆U = -2800 J
Significa que la energía interna disminuye porque el sistema
está liberando calor y realizando trabajo.
Ejemplo 2.
Durante un proceso en un motor, se suministran 4000 J de calor al sistema. Si el motor realiza 1200 J de trabajo sobre el entorno, ¿cuál es el cambio en la energía interna del sistema?
Datos:
Q = 4000 J (positivo porque es absorbido por el sistema).
W = 1200 J (positivo porque es realizado por el sistema).
Fórmula: 🛆U = Q - W
Sustitución: 🛆U = (4000 J) - (1200 J)
🛆U = 2800 J
Significa que la energía interna aumenta porque el sistema
absorbe más calor del que utiliza para realizar trabajo.
Ejemplo 3
En determinado proceso, un sistema absorbe 400 cal de calor y al mismo tiempo realiza un trabajo de 80 J sobre sus alrededores ¿cuál es el incremento de energía interna del sistema?
Datos:
Q = 400 cal (positivo porque es absorbido por el sistema).
Se deben transformar las calorías a Joules:
Equivalencia: 1J = 0.239 cal
W = 80J (positivo porque es realizado por el sistema).
Fórmula: 🛆U = Q - W
Sustitución: 🛆U = (1673.640 J) - (80 J)
🛆U = 1593.640 J
Significa que la energía interna aumenta porque el sistema
absorbe más calor del que utiliza para realizar trabajo.
Rama de la física que estudia y describe cómo la energía se transforma de una forma a otra y cómo afecta a la materia. La termodinámica ha estado ligada a la física y a la ingeniería desde su concepción.
Durante el siglo XVIII, la termodinámica comenzó a tomar forma impulsada por los avances en la tecnología de la máquina de vapor, desarrollada por Thomas Newcomen y mejorada por James Watt, que convertía el calor en trabajo mecánico, planteándose preguntas fundamentales sobre la naturaleza del calor y la eficiencia energética. Paralelamente, la teoría del calórico, que consideraba el calor como un fluido invisible, dominaba el pensamiento científico. Figuras como Joseph Black contribuyeron con investigaciones clave sobre el calor específico y los cambios de fase, como la fusión del hielo, ampliando la comprensión del calor y su comportamiento.
El siglo XIX fue un periodo de avances cruciales en la termodinámica, marcado por la formulación de sus leyes fundamentales. Sadi Carnot, en su obra "Reflexiones sobre la Potencia Motriz del Fuego" de 1824, analizó la eficiencia de las máquinas térmicas, sentando las bases para la segunda ley de la termodinámica. Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin) fueron pioneros en la determinación de la primera y segunda leyes de la termodinámica, con Clausius introduciendo el concepto de entropía en 1865.
Paralelamente, los experimentos de James Joule y otros relacionaron el trabajo mecánico con el calor, conduciendo también a la primera ley de la termodinámica, conocida como la ley de la conservación de la energía. Además, el desarrollo de la teoría cinética de los gases con las aportaciones de James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann vinculó las propiedades macroscópicas de éstos con el comportamiento de sus partículas microscópicas, enriqueciendo la comprensión de la materia desde una perspectiva molecular.
Ley cero de la termodinámica.
Cuando la energía se transfiere en forma de calor, siempre fluye del cuerpo o a partir del sistema de mayor temperatura al cuerpo o parte del sistema de menor temperatura.
Los cubos que están en contacto entre sí, eventualmente alcanzarán el equilibrio térmico y se encontrarán a la misma temperatura.
Por ejemplo, si agregas unos cuantos hielos al agua contenida en un vaso, el líquido se enfriará a la par que los hielos se calentarán. En este caso, el calor fluirá del líquido a los sólidos. Al final, los hielos se habrán derretido cambiando de estado de agregación, sumándose al volumen del liquido que había originalmente. En este punto, ya no habrá flujo de calor, pues no habrá diferencias de temperatura dentro del sistema: se habrá llegado al equilibrio térmico.
🔍Equilibrio térmico.
Con lo anterior se demuestra que, si existen dos cuerpos en equilibrio térmico de forma independiente con un tercero, también estarán en equilibrio térmico entre sí. Este principio se denomina Ley cero de la termodinámica.
🔍Ley cero de la termodinámica.
Algunas actividades cotidianas pueden provocar un consumo innecesario de energía, que podría ahorrarse, por ejemplo, mantener la puerta abierta en un refrigerador con puerta transparente mientras eliges lo que vas a consumir, permite que el aire caliente del exterior aumente la temperatura del interior, lo cual tendrá que regularse mediante un consumo adicional de energía eléctrica. Lo ideal es elegir y, posteriormente, abrir.
¿De qué factores depende que una sustancia se caliente o enfríe, más o menos, que otras?
Para preparar café, se calienta agua en una olla en la estufa. Se añade a la olla tanta agua como tazas de café se vayan a preparar, Una vez añadida el agua, encendemos la estufa. ¿Cuánto tiempo tardará en hervir el agua de una taza? Y si se van a preparar más tazas, ¿el agua tardará en hervir el mismo tiempo que en el caso anterior? Es obvio que cuando la cantidad de agua aumenta, el tiempo de calentamiento será más prolongado, pues si cada unidad de masa absorbe cierta cantidad de energía (transferida como calor) para llegar al punto de ebullición, se necesitará el doble para elevar la temperatura del doble de masa.
La gráfica muestra el cambio de temperatura del agua líquida en función de la cantidad de calor aplicada. La relación es lineal debido a que la capacidad calorífica específica del agua líquida es constante. Por cada 100 J de energía transferida como calor a 1 gramo de agua líquida, la temperatura de éste, aumenta aproximadamente 23.92°.
La energía transferida como calor necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia, es proporcional a su masa y al aumento de temperatura requerido. La constante de proporcionalidad de este proceso se denomina capacidad calorífica específica y se expresa en unidades de energía por unidad de masa y por unidad termométrica.
Q es la energía transferida
C es la capacidad específica de la sustancia.
m es la masa de la sustancia
⃤ T es la diferencia entre las temperaturas final e inicial del proceso
Las sustancias están compuestas por diferentes elementos en composiciones variables y sus estructuras moleculares son distintas, por tanto, absorben energía en diferentes proporciones. Se necesitan diferentes cantidades de energía para que masas iguales de dos sustancias diferentes, cambien su temperatura en una unidad termométrica (tienes diferentes capacidades caloríficas específicas).
Capacidad calorífica específica de algunos materiales.
Parte de la física que estudia el calor y sus efectos sobre la materia.
Temperatura.
Magnitud física que determina, junto con la presión y el volumen, el estado de un sistema. Medida de la energía cinética, de los átomos o moléculas que constituyen a la materia y la podemos medir con un termómetro, sus diferentes escalas son Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Es también, una medida de la cantidad de energía interna que un sistema puede transferir como calor a otro de menor temperatura; es proporcional a la energía cinética promedio de las partículas de un sistema (energía interna).
🔍La temperatura.
En la primera parte (izquierda), se muestran las dos regiones que componen este sistema y que inicialmente tienen diferente temperatura, alta y baja, representadas por el movimiento, más rápido y más lento respectivamente, de sus partículas. Las flechas indican la cantidad de movimiento de las partículas, que produce la transferencia de calor de la región de alta temperatura a la de baja temperatura. En la segunda parte (derecha), se ilustra un sistema en equilibrio térmico, donde no hay transferencia neta de calor, reflejado en el movimiento uniforme de las partículas en todo el sistema. Se demuestra visualmente que en el equilibrio térmico, las partículas en todas las regiones tienen la misma energía promedio y por tanto, la misma temperatura.
Cuando la energía de las partículas de un sistema aumenta porque se les ha transferido energía de las partículas de otro, con el que podría tener contacto directo o no, aumenta su temperatura, como consecuencia, las partículas que han transferido su energía hacia otras que tenían menor cantidad, disminuyen su energía y por tanto, disminuyen su temperatura. Este proceso termina cuando ambos sistemas llegan a un punto en el que tienen la misma temperatura, llamado equilibrio térmico.
Transferencia de calor.
Cuando dos sistemas tienen contacto entre sí, el calor se transfiere por conducción.
Cuando dos sistemas están en contacto con un fluido en común (como el aire), el fluido se mueve transportando la energía de un sistema a otro, el calor se transfiere por convección.
La energía puede transmitirse mediante ondas electromagnéticas en el vacío pues no necesita de un medio material para su propagación, el calor se transfiere por radiación.
Calor.
Aumento o disminución de la temperatura que posee un cuerpo, su unidad es lacaloríay se puede medir con uncalorímetro. Transferencia de energía entre dos sistemas que están a diferente temperatura, cuando la temperatura de ambos sistemas es la misma, no existe transferencia de energía (no hay calor).
¿Cómo se mide la temperatura?
Existen diversas maneras de medir la temperatura basadas en medir propiedades físicas que dependen de la cantidad de energía interna de las sustancias, como el volumen. El volumen de una sustancia cambia con la temperatura y las sustancias aumentan su volumen (se dilatan) cuando aumenta su temperatura y lo disminuyen (se comprimen), cuando ésta disminuye, a este fenómeno se le llama dilatación térmica, lo ves aplicado en los termómetros de mercurio (cuando la temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el calor).
La dilatación térmica se aplica en la fabricación de termómetros construidos con cintas de dos metales diferentes (bimetálicos o termopares), donde la diferencia en la dilatación de la longitud de las cintas al calentarse provoca que el armado de ambas se doble o estire.
Entre otras propiedades que se utilizan para medir la temperatura están la presión y la conductividad eléctrica, de echo, la densidad fue la primera propiedad utilizada para fabricar un termómetro.
Ecalas termométricas:
Fahrenheit. Toma como punto superior, la temperatura del cuerpo humano (96°) y como punto inferior la temperatura de una mezcla de agua, sal y cloruro de amonio (0°). Con esta escala, las temperaturas de ebullición y congelación del agua son 212° y 32° respectivamente.
Celsius. Antes llamada centígrada. En esta escala la temperatura del agua de ebullición es de 100° y la del agua congelada es de 0°, ambas a nivel del mar.
Kelvin o escala absoluta. Relacionada con la energía cinética promedio de las partículas de un sistema, si la energía aumenta o disminuye pasa lo mismo con la temperatura. ¿Existirá algún punto donde las partículas no tengan energía cinética y su temperatura sea cero? William Thomson dedujo que esta temperatura existía y corresponde a temperaturas negativas en escalas Celsius y Fahrenheit, y por debajo de este valor no existía ningún otro. Por tanto, el cero se propuso como valor absoluto en la escala Kelvin y equivale a -273.15 °C o -459.67 °F.
🔍Diferencia entre temperatura y calor.
Teoría cinética de los gases.
Explica el comportamiento y las propiedades de los gases en términos del movimiento de sus partículas.
Principios básicos:
Las moléculas de un gas están en constante movimiento aleatorio y se mueven en todas las direcciones a diferentes velocidades.
Las moléculas colisionan entre sí y con las paredes del contenedor. Estas colisiones se consideran elásticas, lo que significa que no hay perdida neta de energía cinética.
Se asume que las fuerzas de atracción o repulsión entre as partículas de gas son insignificantes, por lo que su comportamiento se puede considerar independiente de éstas.
Para los gases ideales, se considera que la energía potencial entre sus partículas es despreciable. Se asume que las partículas están lo suficientemente separadas y que las fuerzas intermoleculares son insignificantes. Sin embargo, para los gases reales, bajo condiciones de alta presión y temperatura, la energía potencial puede jugar un papel importante debido a que las interacciones entre sus partículas se vuelven significativas.
Leyes de los gases.
🔍 Ley de Boyle.
A temperatura constante, el volumen de una cantidad fija de gas es inversamente proporcional a su presión. Si aumenta la presión, el volumen disminuye y viceversa. La energía cinética promedio de las partículas (relacionada con la temperatura) se mantiene constante, pero cambia la manera en que estas partículas se distribuyen en el espacio (volumen).
🔍 Ley de Charles.
A presión constante, el volumen de una cantidad fija de gas es directamente proporcional a su temperatura, aumenta el volumen, y si se reduce, el volumen disminuye también. Al incrementar la temperatura, aumentas la energía cinética promedio de las partículas del gas, lo que hace que se muevan más rápidamente y ocupen más espacio (mayor volumen).
🔍 Ley de Gay-Lussac.
A volumen constante, la presión de una cantidad fija de gas es directamente proporcional a su temperatura. Al aumentar la temperatura, también aumenta la presión y al disminuir, la presión baja. Al aumentar la temperatura (y la energía cinética promedio), las partículas del gas chocan con más fuerza contra las paredes del contenedor, lo que aumenta la presión.
🔍 Ley de Avogadro.
La misma temperatura y presión, volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de moléculas. La energía cinética promedio para las partículas de diferentes gases es la misma si están a la misma temperatura, independientemente de las diferencias en sus propiedades moleculares.
¿A qué se debe el estado de agregación de la materia?
La materia está formada por pequeñas partículas llamadas átomos, por agrupaciones de éstos llamados moléculas, por átomos o moléculas con carga eléctrica llamados iones o por mezclas de cualquier partícula de las anteriores.
Esquema que muestra la ionización del ácido clorhídrico en agua. En ésta hay átomos de hidrógeno, cloro y oxígeno formando las moléculas de que interaccionan para formar los iones hidronio y cloruro.
Mezcla homogénea (tierra y agua) y mezcla heterogénea (agua y azúcar).
La forma en que las partículas interactúan entre sí, está determinada por la energía cinética que tienen, la cual puede aumentar o disminuir mediante transferencia de energía (trabajo o calor). El resultado de estas interacciones se observa en el estado de agregación que guardan las sustancias que componen.
Principales estados de agregación de la materia.
Dentro de los límites de presión y temperatura en la Tierra, la materia se puede encontrar de forma natural en tres estados de agregación: sólido, líquido y gas. Cada estado depende del promedio de energía cinética que tienen sus partículas.
Cada partícula está separada de las otras dependiendo de la cantidad de energía cinética que tienen.
En un sólido: las partículas tienen poca energía cinética, por tanto, se encuentran muy "juntas" y pareciera que no se mueven.
En un líquido: las partículas tienen un movimiento apreciable (mas energía cinética), lo que permite cambiar de posición, pero siempre dentro de un volumen definido.
En un gas: las partículas tienen una mayor cantidad de energía cinética, suficiente para vencer las fuerzas de cohesión que existen entre ellas y llenar todo el volumen del recibiente en el qu3e se encuentra.
¿Qué factores determinan el estado de agregación de la materia?
La temperatura que tiene una sustancia, en un momento determinado, es proporcional a la energía cinética promedio de sus partículas. Cuando a un fragmento de materia se le ha transferido energía, aumenta la energía cinética de sus partículas y por tanto, se eleva su temperatura. Si el fragmento de materia transfiere energía a otro sistema o a los alrededores, la energía cinética de sus partículas disminuye al igual que su temperatura.
Existen fuerzas de interacción entre las partículas llamadas fuerzas intermoleculares que las mantienen juntas. De inicio, las partículas necesitan energía suficiente para vencerlas fuerzas y cambiar de estado, de igual forma, existe otra fuerza que trata de mantener a las partículas juntas: la presión a la que están sometidas. Cuando aumenta la presión a la que se somete un líquido sobre la superficie de la Tierra (presión atmosférica), la temperatura a la que el líquido bulle para convertirse en gas (temperatura de ebullición) también lo hace. Si por el contrario, la presión atmosférica disminuye, también disminuye la temperatura de ebullición.
La transferencia de energía mediante trabajo se produce cuando se levanta un objeto en dirección contraria al campo gravitatorio de la Tierra o cuando se juntan dos cargas eléctricas del mismo signo. La energía utilizada es ganada por el objeto que levantamos o las cargas eléctricas que acercamos entre sí, sin embargo, tanto el objeto como las cargas eléctricas, liberarán la energía transferida por el trabajo al concluir la fuerza que las mantiene en ese estado (energía potencial).
Transferencia de energía.
Al desaparecer la fuerza aplicada, el objeto que fue levantado, caerá a su posición original, haciendo un trabajo igual, pero de signo contrario al que se aplicó al inicio. Lo mismo sucede con las cargas eléctricas que se forzaron a estar más cerca una de la otra, de lo que estaban originalmente.
El trabajo positivo o negativo depende de si la fuerza le transfiere energía al objeto o si se la resta. Por ejemplo, el jugador de futbol que lanza la pelota realiza un trabajo positivo y quien la recibe realiza un trabajo negativo al detenerla.
El trabajomodifica la cantidad de energía que poseen los objetos: cuando se hace trabajo sobre un sistema u objeto, se añade energía, por el contrario, cuando el sistema u objeto es el que hace trabajo y "cede" parte de su energía a otro objeto o sistema o a sus alrededores.
🔍Concepto de Trabajo.
El trabajo mecánico es la acción de una fuerza sobre un cuerpo en reposo o movimiento, de modo tal que produzca un desplazamiento en este, proporcional a la energía invertida en la fuerza que lo mueve. El trabajo mecánico es una magnitud escalar, cuya unidad de medida en el SI es el Joule (J).
w = F * d
Es la cantidad de energía transferida a un cuerpo mediante una fuerza que actúa sobre el y que es paralela a su consecuente desplazamiento.
Si la fuerza aplicada sobre el cuerpo logra un desplazamiento que no es paralelo a su dirección, el ángulo es mayor a 0° y menor a 90°, por tanto, el trabajo será dado por:
w = Fcosፀ * d
El sonidoes una forma de trabajo mecánico ya que transfiere energía a través de un medio material que cambia de posición continuamente de forma cíclica debido a la perturbación que sufre el medio, como consecuencia de un cambio de presión, este cambio es equivalente al cambio de la fuerza aplicada por unidad de área del medio y hace el sonido se mueva en forma de ondas.
Un altavoz emite ondas longitudinales (con regiones de compresión y refracción en el aire) que son percibidas por el oído humano como sonido
El trabajo eléctrico se produce a aplicar una diferencia de voltaje entre dos puntos de un circuito y transferir energía a las cargas eléctricas contenidas en él, produciendo su movimiento llamado corriente eléctrica. Las perturbaciones dentro de los campos eléctrico y magnético de un sistema, producen que las partículas con carga eléctrica (como los electrones), se muevan de forma ondulatoria dentro de él.
Ejemplo: Cuando se conecta un dispositivo a una fuente de energía eléctrica (batería), se establece una diferencia de energía potencial o voltaje, que mueve las cargas eléctricas entre los polos de la batería, produce una corriente eléctrica y esta transfiere la energía de su movimiento al dispositivo que al funcionar hace un trabajo.
¿Cómo percibir la transferencia de energía?
La energía eléctrica puede transformarse en energía luminosa.
La transferencia de energía eléctrica a través de un foco con bulbo incandescente, se lleva a cabo de la siguiente manera:
Conexión a la fuente de energía eléctrica. El foco se conecta a una toma de corriente eléctrica o a una batería para que circule la electricidad a través de él.
Paso de corriente eléctrica por el filamento de tungsteno. La corriente eléctrica fluye por el filamento de tungsteno (material resistivo) y la corriente eléctrica produce calor, lo que hace que el filamento se caliente.
Emisión de luz. El filamento de tungsteno se calienta hasta alcanzar una temperatura muy alta y provoca que sus átomos emitan la energía absorbida como fotones de luz en el espectro visible. El filamento se encuentra dentro de un bulbo de vidrio sellada al vacío o llena de gas inerte (argón) que no reacciona con el tungsteno (evitando que el filamento pierda su estructura y se fracture dejando de conducir la electricidad).
El resultado final es la producción de luz pero también se produce una cantidad significativa de calor en el proceso, la mayor parte de energía que se transforma en este tipo de focos, se convierte en calor y por tanto, son ineficientes en consumo energético.
La energía eléctrica puede transformarse en energía cinética.
Un motor eléctrico es una máquina con capacidad de transformar la energía eléctrica en energía cinética debido a la acción de los campos magnéticos generados por su bobina, que funciona como un electroimán.
Un electroimán.
🔍Electroimán.
Explicación: La electricidad fluye a través del alambre de cobre de la bobina (solenoide), creando un campo magnético. El alambre de cobre está enrollado alrededor de un núcleo de hierro, por lo que al pasar la corriente eléctrica en el alambre, el cambo magnético producido convierte al núcleo de hierro en un imán artificial y permite enviar una corriente eléctrica a través de otro cable enrollado, colocado dentro del campo magnético de la bobina. La corriente eléctrica que fluye a través del enrolado produce un segundo campo magnético que interactúa con el campo magnético de la bobina y produce una fuerza de tensión que hace girar el rotor del motor.
🔍Cómo funciona un motor eléctrico.
En resumen, el rotor está conectado al eje que puede transferir el movimiento a otras partes móviles (la energía eléctrica se transforma en energía mecánica). El motor eléctrico siempre tiene una interacción entre la corriente eléctrica de la bobina y un campo magnético externo a ella, la cual genera una fuerza de torque que logra rotar el eje.
La energía eléctrica puede transformarse en energía calorífica.
🔍Cómo funciona una plancha para ropa.
En una plancha, tostador, cafetera y otros aparatos eléctricos de una casa, la energía potencial se transforma en calor. Esto sucede debido a que el material conductor siempre opone resistencia al paso de la carga eléctrica a través de él, se resiste al movimiento de los electrones o corriente eléctrica y esta resistencia tiene como consecuencia que el material del que está fabricado el conductor, aumento su temperatura.
El control de la temperatura se ejerce mediante un interruptor de la corriente sensible a ella, llamada termostato y este funciona gracias a un termopar o bimetálico.
En física, un sistema es un conjunto de elementos relacionados entre sí, actúan de manera específica y coordinada, que funcionan como un todo. Cualquier segmento de la realidad, por lo tanto, puede ser considerado un sistema, siempre y cuando sea posible distinguir sus componentes interrelacionados del exterior. Los elementos de un sistema pueden funcionar independientemente pero siempre formarán parte de una estructura mayor.
En física, un objeto es una entidad que tiene existencia física (materia y energía) y que se puede percibir a través de los sentidos. Un objeto puede ser parte de un sistema pero no necesariamente todo sistema está compuesto por objetos.
🔍Transferencia de energía.
La transferencia de energía es el cambio que tiene la energía de una forma a otra, es la transmisión de energía de un objeto o sistema a otro objeto o sistema, incluso entre las partes de un mismo sistema. Por ejemplo, cuando un autobús quema gasolina, la energía que tenía la gasolina se transforma en calor (otra forma de energía).
Calor
Aumento de energía cinética de las partículas de una sustancia y por tanto, de su temperatura.
La energía puede transferirse como calor (por conducción, convección o radiación, incluyendo la radiación electromagnética),trabajo mecánico o trabajo eléctrico
El calor es una forma en que la energía se transfiere entre dos cuerpos o sistemas, o bien entre partes de un mismo sistema cuando están a diferentes temperaturas. La temperatura de los cuerpos es una medida relacionada con la energía cinética de las partículas que los conforman.
La energía térmica es la parte transferible de la energía cinética que contienen las partículas de un cuerpo, por tanto, se puede afirmar que ningún cuerpo puede transferir la totalidad de la energía cinética de sus partículas.
El modelo cinético- molecular explica el comportamiento de la materia en términos de movimiento microscópico de sus partículas y de las interacciones entre ellas, relacionándolos con sus propiedades macroscópicas, como la presión, volumen y temperatura.
En termodinámica, la transferencia de energía térmica sucede cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos y se establece un flujo de calor desde un objeto de mayor temperatura hacia el de menor temperatura, ya sea por conducción, convección o radiación.
🔍Conducción, convección y radiación.
CONDUCCIÓN.
Se refiere a la transferencia de energía (como calor), directamente entre dos sistemas a diferente temperatura, cuando tienen contacto entre ellos.
Esta transferencia ocurre a nivel molecular cuando los átomos o moléculas más calientes (a mayor temperatura), transfieren parte de su energía a los átomos o moléculas más frías (a menor temperatura)., por contacto directo.
CONVECCIÓN.
Cuando se calienta algún fluído, líquido o gas, se produce la dilatación térmica, consiste en el aumento de volumen por unidad de masa que adquiere el fluido y que en consecuencia produce que su densidad disminuya. Cuando esto sucede dentro de un sistema que está absorbiendo energía, las partículas comienzan a moverse dentro de él formando un flujo denominado corriente de convección.
La corriente de convección hace que las partículas tengan contacto entre sí, propiciando un intercambio de energía y el cambio de densidad continuo (la densidad de las partículas que se calientan, disminuye y de las que se enfrían, aumentan) y esto mantiene las partículas en movimiento.
RADIACIÓN.
Los fotones son las partículas portadoras de la energía electromagnética. Cada fotón posee una cantidad específica de energía, determinada por su frecuencia (a mayor frecuencia, mayor energía). Esta energía se aprecia como luz visible, rayos ultravioleta, rayos X, microondas, ondas de radio o televisión, etc.
Cuando las partículas (átomos o moléculas), absorben energía, cambian a estados de mayor energía. Al volver a un estado de energía más bajo y estable, las partículas liberan la energía absorbida en forma de fotones y estos transfieren a los alrededores la energía que absorbieron inicialmente, este proceso es llamado radiación.
Cuando se transfiere energía a la materia, por medio de radiación y ésta emite menos energía de la que absorbe, aumenta su temperatura y por ello, la radiación es una forma de transferencia de calor. Los fotones emitidos por la fuente radiante impactan sobre la superficie de un material y transfieren la energía que contienen a las partículas de dicha superficie, que al no emitir radiación, acumulan la energía en forma de energía cinética y aumentan su temperatura. Este efecto se observa con la radiación solar cuando calienta la superficie de la Tierra.
La radiación puede viajar a través del espacio vacío al no necesitar de un medio material para transmitirse y es el principal medio de transferencia de energía en el universo.
🔍Conducción, convección y radiación (definiciones y diferencias).
En nuestro entorno, la energía está constantemente transformándose y estas transformaciones cumplen un principio fundamental de la física conocido como la ley de la conservación de la energía, que establece que "la energía no se crea ni se destruye, sino que cambia de una forma a otra".
Estas transformaciones son indispensables para el funcionamiento de los sistemas naturales y tecnológicos, observándose en una amplia gama de procesos. En cada proceso, la energía presente en un sistema se transforma y genera algún cambio físico al transferirse a otro sistema, sea como trabajo o calor.
🔍La energía tiene diferentes manifestaciones como...
La energía mecánica es una forma de energía asociada con el movimiento y la posición de un objeto; se conforma por la energía cinética y la energía potencial.
Recordemos que la energía cinética es la energía directamente vinculada al movimiento, que varía según la velocidad y la masa de aquello que se mueve. La energía potencial es la forma de energía que tiene un cuerpo debido a su posición dentro de un campo (gravitatorio) o a su estado físico (como un resorte) y se relaciona con las fuerza que actúan sobre él; esta energía puede transformarse en energía cinética cuando la posición del cuerpo cambia.
En un resorte comprimido o estirado, la energía potencial es proporcional a la deformación. Cuando cesa la fuerza que causa la deformación, la energía potencial se convierte en energía cinética a medida que el resorte vuelve a su forma original. La cantidad de energía potencial del resorte depende de cuánto se comprimió o estiró y de su elasticidad, que es una propiedad intrínseca del material del que está hecho.
🔍¿Qué es la energía electromecánica?
La energía electromagnética es la que tiene una región del espacio, debido a la presencia de una perturbación en un campo electromagnético. Esta energía se encuentra en la luz y en otras formas de radiación electromagnética.
Espectro electromagético
Radiaciones electromagnéticas
Se caracteriza por su capacidad para propagarse a través del vacío (como la luz del Sol que viaja desde el astro hasta la Tierra y proporciona energía para muchos procesos naturales), por ende, no necesita un medio material.
Representación de una reacción química
La energía química puede considerarse un caso particular de la energía electromagnética ya que está almacenada en los enlaces entre átomos en las moléculas, los cuales son en esencia campos electromagnéticos que mantienen unidos los electrones de los átomos. Cuando los enlaces se rompen durante una reacción química, la energía electromagnética almacenada se transforma en energía térmica o lumínica. Por tanto, la energía química es una forma de energía electromagnética debido a la naturaleza de los campos eléctricos y magnéticos que los forman.
🔍¿Qué es la energía térmica?
La energía térmica puede transferirse en forma de calor, relacionada con el movimiento aleatorio de las partículas que conforman un sistema. Estas partículas incluyen átomos, moléculas e iones, cuya cantidad de movimiento es proporcional a su energía cinética y por tanto, a su temperatura (la temperatura es un parámetro proporcional a la energía térmica del sistema).
La energía térmica se transfiera entre sistemas como calor, mediante procesos como la conducción, la convección y la radiación; es fundamental en fenómenos naturales como la regulación de la temperatura en los seres vivos y en procesos tecnológicos (motores y refrigeradores).
La energía química, contenida en los enlaces entre átomos y moléculas, puede transformarse en energía térmica cuando suceden reacciones químicas como la combustión.
🔍¿Qué es la energía gravitatoria?
La energía potencial gravitatoria es la energía que un cuerpo posee debido a su posición dentro de un campo gravitatorio. En la Tierra, esta energía está directamente relacionada con la masa del cuerpo y la altura a la que se encuentra sobre la superficie terrestre, así como la aceleración de la gravedad. Cuanto más alto esté el cuerpo y mayor sea su masa, mayor será su energía potencial gravitatoria. Esta energía se convierte en energía cinética cuando el cuerpo cae.
La energía potencial gravitatoria entre la Luna y la Tierra es un ejemplo clave de cómo la gravedad actúa a escalas astronómicas. La fuerza gravitatoria con que la Tierra atrae a la Luna, la mantiene en órbita; a su vez, la Luna tiene su propia fuerza gravitatoria que afecta a la Tierra (como se observa en las mareas oceánicas).
🔍¿Qué es la energía nuclear?
La energía nuclear es la energía almacenada en el núcleo de los átomos. Es una fuente poderosa de energía utilizada para la generación de electricidad (México tiene una central nuclear en Laguna Verde, Veracruz, que utiliza este proceso para generar energía eléctrica y contribuye con el 5% del suministro de electricidad en el país).
Puede liberarse mediante procesos de fisión nuclear (división de átomos pesados) o fusión nuclear (combinación de átomos ligeros).
En la fisión, los átomos se dividen para formar átomos más pequeños, liberando energía. En la fusión, la energía se libera cuando dos átomos ligeros se combinan para formar uno más pesado.
🔍¿Qué son las energías limpias?
Las energías limpias son aquellas que en su proceso de generación y uso, emiten una cantidad mínima o nula de gases de efecto invernadero y otros contaminantes, por tanto, están relacionadas con su impacto al medio ambiente. Este tipo de energías incluyen: solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica y nuclear. El uso de este tipo de energías es crucial para reducir emisiones de carbono y fomentar el desarrollo sostenible.
México es pionero en la energía geotérmica y posee un potencial significativo en energía renovable como la solar y la eólica debido a su ubicación geográfica.
