ANÁLISIS DE LA TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA

Definición de energía

Energía es la capacidad de producir trabajo o calor. El trabajo es una magnitud física que se define como la fuerza multiplicada por el espacio. Requiere, por tanto, fuerzas y desplazamientos (que es lo que hay en los mecanismos de las máquinas). El calor es lo que permite aumentar la temperatura de algo. 

Estos conceptos son difíciles y es posible que te cueste entenderlos. Por eso vamos a ver otra definición menos rigurosa pero más fácil de comprender. Desde un punto de vista técnico, la energía es lo que se necesita para que funcionen las máquinas. Las máquinas tienen elementos que se mueven. Para conseguir esos movimientos necesitamos desarrollar fuerzas. En una grúa, por ejemplo, hay fuerzas que sirven para mover pesos. Para que funcione una grúa, habrá que alimentarla con energía. 

Cualquiera de las máquinas que fabriques en el taller necesitarán energía para funcionar. Por ejemplo, el coche que se ve en la imagen, que está construido por alumnos de la ESO, necesita una pila que le suministre la energía que necesita para moverse. Lo mismo le pasará a cualquier máquina que fabriques tú en el taller, necesitará energía para funcionar.

La energía también puede usarse para calentar algo. Por ejemplo cuando ponemos agua en una cafetera para hacer un café, necesitaremos suministrarle energía o el agua no hervirá. Esa energía se la suministra el fuego que ponemos debajo. 

Tipos de energía

La energía que posee un cuerpo es única; sin embargo, esta puede manifestarse en la naturaleza de distingas formas, capaces, a su vez, de transformarse en otro tipo de energía. Algunas de las formas más simples de energía aparecen recogidas en el siguiente cuadro:

Se puede clasificar la energía en distintos tipos según su forma de manifestarse. Así tenemos: 

Energía química que se manifiesta en una reacción química. En las pilas la electricidad se produce por una reacción química. En todos los procesos en los que se necesita una combustión, también se está produciendo una reacción química. 

Energía térmica que se manifiesta en un flujo de calor. El calor es un flujo de energía entre dos cuerpos. Siempre que tenemos dos cuerpos a distinta temperatura que no estén aislados, el calor fluirá del que tienen más temperatura al que tiene menos. 
Energía eléctrica que se manifiesta en un movimiento de cargas eléctricas. La energía eléctrica es la que acciona los receptores de los circuitos eléctricos. Esa energía proviene de los generadores y en los receptores se transforma en algo útil. 

Energía nuclear que se manifiesta en una reacción nuclear. Hay átomos con muchos protones y neutrones en sus núcleos que no son estables y que se desintegran formando núcleos de átomos más ligeros. Cuando esto sucede se libera una gran cantidad de energía que puede usarse para mover un generador eléctrico, por ejemplo. 

Energía mecánica que se manifiesta en el movimiento de masas. Siempre que tenemos masa en movimiento, tenemos energía mecánica. Siempre que tenemos masa en movimiento, tenemos energía mecánica. Por ejemplo un coche es una masa en movimiento y tiene energía mecánica. Cualquier máquina tiene elementos con materia y por tanto con masa así que cuando se mueve tiene energía mecánica.

Se trata de la energía que poseen los cuerpos debido a su posición y/o a su movimiento. Tiene dos componentes:  

• Energía cinética (Ec): es la energía que posee un cuerpo por el hecho de estar en movimiento. Depende de la masa (m) y la velocidad (v) a la que se desplace el cuerpo:

• Energía potencial (Ep): Es la energía de un cuerpo debido a su posición dentro de un campo de fuerzas determinado. En el caso del campo gravitatorio terrestre, sería la energía de un cuerpo debido a la altura h en la que se encuentre:

Propiedades básicas de la energía

• La energía total de un sistema aislado se conserva. Por tanto en el Universo no puede existir creación o desaparición de energía. 
• La energía puede transmitirse de unos cuerpos o sistemas materiales a otros. 
• La energía puede transformarse de unas formas a otras.

Trabajo y Calor

La energía puede transferirse entre dos o más sistemas. Dicha transferencia se produce mediante interacciones entre los cuerpos o sistemas provocando cambios en los mismos. Las interacciones pueden ser diferentes. 

Trabajo 

En los siguientes ejemplos, se produce una interacción de carácter mecánico: Una grúa ejerce una fuerza sobre el cuerpo que sostiene, pudiéndolo subir o bajar una determinada altura. El hombre que empuja el trineo por la nieve, ejerce una fuerza sobre el mismo y produce un desplazamiento del mismo. 

Cuando la interacción es de tipo mecánico, la transferencia de energía entre un cuerpo y otro se denomina “TRABAJO”. 

Mientras se realiza trabajo sobre un cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo, por lo que puede decirse que el trabajo es energía en tránsito.

Ejemplo: Para elevar una piedra por una pendiente, una persona debe ceder parte de su energía a la piedra en forma de trabajo (aplicación de una fuerza suficiente para desplazar la piedra pendiente arriba). La piedra ha recibido energía en forma de trabajo, que puede liberar de nuevo para rodar pendiente abajo.

El trabajo, W, se mide en julios (J). La fuerza se mide en newtons (N) y el desplazamiento en metros (m).

El trabajo, W, depende del valor de la fuerza, F, aplicada sobre el cuerpo, del desplazamiento, ∆x y del coseno del ángulo α que forman la fuerza y el desplazamiento.

Calor

Cuando interaccionan dos cuerpos o sistemas que se encuentran a distintas temperaturas, la transferencia de energía que se produce se denomina calor. 

El calor es energía en tránsito, es decir, energía que siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera. 

Por ejemplo, cuando un refresco es depositado en un vaso con cubitos de hielo, ceden energía al hielo (menor temperatura). La consecuencia es que el refresco baja su temperatura. "En el lenguaje cotidiano" decimos que el refresco se enfría". De manera inversa, el Sol, en otro ejemplo, (mayor temperatura) transfiere energía al agua del mar (menor temperatura) y el agua aumenta su temperatura o, como se suele decir, "se calienta".

Transformaciones de la energía

transformación, pasando de unas formas a otras. La energía siempre pasa de formas "más útiles" a formas "menos útiles". La utilidad se refiere a capacidad para poder realizar un trabajo. Las transformaciones de energía están presentes en todos los fenómenos que ocurren en la naturaleza. Por ejemplo, el motor de un coche produce un cambio de energía química (contenida en la gasolina y liberada en su combustión) en energía cinética.

Transformaciones energéticas de una pila:

Transformaciones energéticas que se producen en un motor eléctrico:

Transformaciones energéticas que se producen en el motor de un coche:

Transformaciones energéticas que se producen en una resistencia eléctrica:

Transformaciones energéticas que se producen en un generador eléctrico:

Principio de conservación de la energía

El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación. 

En el caso de la energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de rozamientos (si existe rozamiento, parte de la energía se degrada en forma de calor y la energía mecánica del sistema no se conserva) y sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las energías cinética y potencial permanece constante. Este fenómeno se conoce con el nombre de Principio de conservación de la energía mecánica.

Em = Ec + Ep = constante

Degradación de la energía. 

Rendimiento Unas formas de energía pueden transformarse en otras. En estas transformaciones la energía se degrada, pierde calidad. En toda transformación, parte de la energía se convierte en calor o energía térmica. 

Cualquier tipo de energía puede transformarse íntegramente en calor; pero, éste no puede transformarse íntegramente en otro tipo de energía. Se dice, entonces, que el calor es una forma degradada de energía. 

Se define, por tanto, el Rendimiento como la relación (en % por ciento) entre la energía útil obtenida y la energía aportada en una transformación.

En cualquier proceso en el que se produce una transferencia de energía, nunca se produce al 100 %. Parte de la energía aplicada se “pierde” debido al rozamiento, a choques, a vibraciones, … 

El rendimiento nos mide la energía útil de un proceso respecto a la energía empleada. Se expresa en % y siempre es menor al 100 %, además no tiene unidades. 

Es muy importante que el rendimiento sea alto, ya que de esta forma la energía se emplea en el proceso deseado y no se “pierde” en otras formas de energía menos “útiles”, tales como la energía calorífica.

Ejemplos: 

• Parte de la energía eléctrica se pierde en forma de calor, al pasar por una resistencia. 
• La energía mecánica se degrada en forma de calor, por choque o rozamiento.