001-conceptos-fisicos-basicos

8/7/2019 001-CONCEPTOS-FISICOS-BASICOS

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CONCEPTOS FISICOS FUNDAMENTALESSOBRE ENERGIA

Prof. Javier S. Rojas M.

[email protected]

301 419 32 08


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Aunque el concepto de fuerza nos permite entender acerca decmo trabajan las cosas, se ha encontrado que, para ciertospropsitos, y bajo ciertas circunstancias, hay otro concepto quees ms fcil de usar, el concepto de energa.

Luego se encontr que hay sistemas para los cuales las leyes deNewton no aplican. Sin embargo, la ley de energa es universal.

As que energa es el concepto ms importante en la fsica.

No es fcil dar una definicin general de energa. Hay diferentestipos de energa y cada cul se define de una manera diferente.

Sin embargo, una vez dominamos las definiciones, la ley deenerga muchas veces es mucho ms fcil de usar que las leyesde Newton.

Concepto de Energa


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CONCEPTO FISICO DE ENERGIA

la energa es el trabajo acumulado o la capacidad derealizar trabajo

la Energa y el Trabajo mecnico son equivalentes,

esto es, la energa puede convertirse en trabajo y

viceversa

Las Unidades que se emplean para al Energa son las

mismas que se utilizan para el Trabajo en el SI de

Unidades ..


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Algunas Unidades de Energa

Magnitud Fsica Unidad SI

Energa J

1 cal 4.1868 J

1 Btu 1.0551*103 J

1 TEP 7.33 BOE = 4.1868*1010 J

1 BOE 5.7119*109 J

1 kWh 3.6000*106 J

Btu: British thermal unit BOE: Barrel Oil Equivalent TEP: Tonelada Equivalente Petrleo


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Magnitud Unidad MKS Unidad CGS

Longitud metro (m) centmetro (cm)Masa kilogramo (kg) gramo (g)

Tiempo segundo (s) segundo (s)

CorrienteElctrica

Ampere (A)

Intensidad Luminosa Candela (cd)

Cantidad de Materia Mol (mol)

TemperaturaTermodinmica

Kelvin (K)

ngulo Plano Radin (rad)

ngulo Slido Esterradin (sr)

MKS o SI: metro-kilogramo-segundo o Sistema Internacional CGS: centmetro-gramo-segundo

Ingls o Imperial

SISTEMAS DE UNIDADES


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PREFIJO SMBOLO FACTOR LITERAL

exa E 1.000.000.000.000.000.000 = 1018 un trilln

peta P 1.000.000.000.000.000 = 1015

mil billonestera T 1.000.000.000.000 = 1012 un billn

giga G 1.000.000.000 = 109 mil millones

mega M 1.000.000 = 106 un milln

kilo k 1.000 = 103 mil

hecto h 100 = 102 cien

deca da 10 = 101 diez

deci d 0,1 = 10-1 un dcimo

centi c 0,01 = 10-2 un centsimo

mili m 0,001 = 10-3 un milsimo

micro u 0,000 001 = 10-6 un millonsimo

nano n 0,000 000 001 = 10-9 un milmillonsimo

pico p 0,000 000 000 001 = 10-12 un billonsimo

femto f 0,000 000 000 000 001 = 10-15 un milbillonsimo

atto a 0,000 000 000 000 000 001 = 10-18 un trillonsimo

PREFIJOS DECIMALES


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Potencia de algunas mquinas

MAQUINA kW

Hombre 0.1

Buey 0.2

Caballo 0.5

Molino de Viento 15

Molino de agua 300

Mquina de Vapor 2 000

Motor Combustin Interna 10 000

Turbina de Gas 80 000

Motor Cohete 16`000 000


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Diversas manifestaciones de la Energa

Energa Gravitacional

Energa Cintica

Energa Calrica

Energa Electromagntica

Energa Qumica

Energa Nuclear


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Energa Cintica y Trabajo


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Conservacin de EnergaEl concepto de energa es ms sutil que el de fuerza.

Un sistema en un estado fsico dado, tiene cierta cantidad deenerga. Esto lo que quiere decir es que yo puedo calcularun nmero asociado a ese estado de ese sistema.

Si cambia el estado del sistema, la energa puede cambiar. Sinembargo, se ha encontrado que en ese proceso de cambio laenerga del resto del universo habr sufrido el cambio

inverso.En otras palabras, la energa del universo total nunca cambia.

Se mantiene igual. Se conserva.Esta es la ley ms importante en la fsica.Dada esta ley, podemos pensar en trminos de que en un

proceso la energa se transfiere de un sistema a otro.A veces se dice que fluye pero debes entender que la energa

no es algo material.


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Energa Cintica

El primer tipo de energa que estudiaremos es la energa

cintica.Est asociada a la rapidez de los objetos en un sistema.

Se define como:

Se mide en Joules. (J)

Muchas veces la manera ms fcil de calcular el cuadrado de la

rapidez es como la suma de los cuadrados de loscomponentes de la velocidad.


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Trabajo

Una manera de transferir energa a un objeto es hacer una fuerza sobreel objeto. El trabajo es la energa transferida de esta manera.

Se dice que la fuerza (o el otro objeto que es la fuente de esa fuerza)hizo trabajo en el proceso. Puede ser positivo si la energa del objetoaumenta o negativo si disminuye.

Ejemplo; Caida libre,

Fuerza - la gravedad, Otro objeto la tierra.

Si se mueve hacia abajo, aumenta su energa cintica. La gravedad(o la tierra) hizo trabajo positivo.

Si se mueve hacia arriba, disminuye su energa cintica. La gravedad(o la tierra) hizo trabajo negativo.

Fjate que esta definicin no coincide con la definicin comn de hacertrabajo en la vida diaria.


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Definicin de TrabajoPara un proceso en que un objeto tiene un desplazamiento vectorial, usando la

segunda ley, podemos demostrar que el trabajo que hace una fuerzaactuando sobre el objeto se tiene que definir de la siguiente manera:

donde es el ngulo entre el desplazamiento y la fuerza.

Matemticamente, otra manera de escribir W es como el productoescalar entre los vectores:

En trminos de componentes, el producto escalar se puede

calcular como:

W = Fx dx + Fy dy + Fz dz


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Teorema de Energa-Trabajo

Si hay ms de una fuerza, los trabajos se pueden sumar para encontrar el trabajo neto.Alternativamente, las fuerzas se pueden sumar. Por supuesto, esta es la fuerza neta,

o sea, el trabajo neto tambin es el trabajo que hace la fuerza neta.

Usando la segunda ley, podemos demostrar que el trabajo netoest relacionado con el cambio en la energa cintica del objeto.

Tambin se puede escribir como:

WN =


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Trabajo de la Fuerza de Gravedad

Definamos una coordenada de posicin vertical y positiva hacia arriba, o sea, y es laaltura. Entonces el clculo del trabajo que hace la gravedad est dada por una

expresin muy sencilla,

WG = - mgy,

donde y es el cambio en la altura, o sea, yf - yi.

Fjate que WG es positivo cuando el movimiento es hacia abajo, o sea, y negativo. Esto

tiene sentido ya que la fuerza de gravedad es hacia abajo y, en trminos generales,cualquier trabajo es positivo cuando el desplazamiento es en la direccin general de lafuerza.

Fjate que, para cualquier desplazamiento, el nico componente que importa es el vertical.Por supuesto, en trminos generales, la magnitud del desplazamiento total no

coincidir con el componente vertical. El componente vertical ser la magnitudmultiplicada por el coseno del ngulo entre ellos que es la frmula que da el libro. Esafrmula enfatiza el hecho de que el trabajo es un producto escalar. Yo prefiero enfocarel hecho de que la fuerza de gravedad es en direccin vertical. Luego, si lo que me danes el desplazamiento total, uso geometra para calcular el componente vertical.


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La Realidad Fsica de un Resorte

Este sistema incluye una masa en el extremo delresorte. En el primer dibujo la masa est en laposicin de equilibrio.

Fjate en la direccin de la fuerza que hace elresorte en diferentes posiciones. Cmparala conla direccin del vector de posicin(desplazamiento con respecto a la posicin deequilibrio).

Imagnate que es tu mano halando y empujandoel resorte. Verdad que tienes que hacer msfuerza mientras ms halas o empujas?

Hay ms comentarios en la prximatransparencia.


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La Fuerza de un ResorteEste es uno de los ejemplos ms importantes ya que es precisamente para

este tipo de situacin donde el concepto de energa ser ms til. Esta esuna fuerza variable y, por tanto, la aceleracin ser variable. La segunda

ley se convierte en una ecuacin diferencial de segundo orden que es

difcil de resolver. Pero el concepto de energa me permitir resolver

ciertos problemas con una ecuacin mucho ms sencilla. Esa ecuacin

corresponde al teorema de energa-trabajo.Tu has tenido experiencia con varias cosas que trabajan como un resorte, por

ejemplo, una gomita. Estas cosas tienen una posicin de equilibrio

(cuando no se le hace fuerza). Hay que hacer fuerza para sacarlas de la

posicin de equilibrio. Cuando la sacamos de la posicin equilibrio, la

fuerza que uno hace es igual a la fuerza que hace el resorte sobre uno(tercera ley). Observamos que esta fuerza no es constante. Hay que

hacer ms fuerza para lograr un desplazamiento ms grande. Esto se

debe a que el resorte hace una fuerza que depende del desplazamiento

con respecto a la posicin de equilibrio.


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La Fuerza de un Resorte

Un resorte siempre hace fuerza hacia la posicin de equilibrio. Lacoordenada de posicin ms sencilla tiene el origen en esa posicin de

equilibrio.

Tomemos un resorte horizontal. Hace fuerza en ambas direcciones

(derecha e izquierda) dependiendo de la posicin. Si est a la derecha,

hace fuerza hacia la izquierda y vice versa.La magnitud de la fuerza es variable (cambia con la posicin). De hecho,

es proporcional a la distancia medida desde la posicin de equilibrio.

Matemticamente, F = - k x , donde F, x son variables con signo. K es la

constante del resorte, siempre es positiva. Corresponde a la rigidez

del resorte.

Esta fuerza (como toda fuerza) puede hacer trabajo positivo o negativo ya

que la masa puede estar a cualquiera de los dos lados movindose en

cualquiera de las dos direcciones.


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Trabajo de la Fuerza de un Resorte

Cuando la fuerza es variable, el trabajo se puede calcular haciendo un integral. Esto parececomplicar la matemtica pero, en realidad, el integral lo haremos una sola vez y luego slousaremos el resultado del integral. La frmula general que es correcta para cualquier fuerza

variable en una dimension es:

El resultado particular para la fuerza de un resorte es:

Fjate que el trmino de la posicin inicial es positivo y se le resta el trmino de la posicinfinal. Esto se debe al signo negativo en la expresin de la fuerza.

Fjate que el trabajo puede ser >0 o 0 y el segundo a W


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El Teorema de Energa-Trabajo

Vale la pena repetir lo siguiente. Algunas situaciones son muy dificiles de analizar con lasegunda ley. Pero el concepto de energa me permitir resolver ciertos problemas conuna ecuacin mucho ms sencilla. Esa ecuacin corresponde al teorema de energa-

trabajo.El teorema de energa-trabajo es la ecuacin fundamental que usamos para analizar

situaciones sencillas usando el concepto de energa. Estamos hablando de analizar elmovimiento de una sola masa.

Repetimos la ecuacin:

Muy Importante: El trabajo en esta ley es el trabajo neto, o sea, la suma de los trabajosde todas las fuerzas que estn actuando sobre el objeto.

Puedes mirar la prueba matemtica en el libro de que este teorema es una ley universalque es correcta bajo todas condiciones, o sea, an cuando la fuerza es variable y an

cuando la fuerza y el desplazamiento son en tres dimensiones.

WN =


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PotenciaPotencia es la razn a la cual se hace trabajo.

En un proceso podemos hablar de la potencia promedio como el trabajo dividido por el intervalo detiempo.

Si tomamos el lmite en el cul el tiempo es pequeo, definimos la potencia instantanea que puedeestar variando con el tiempo o puede ser constante.

La potencia instantanea est relacionada con la velocidad instantanea de una manera muy sencilla.Puedes mirar la derivacin en el libro.


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La Diferencia entre Potencia y Trabajo

Si hago la misma cantidad de trabajo pero lo hago ms rpido entonces tengo ms

potencia.Un motor es un aparato que hace trabajo. Los motores se diferencian por su potencia.

En el Sistema Internacional, la potencia se mide en Watts (W=J/s), en espaol se diceVatios. Fjate que esa unidad no solamente est relacionada con electricidad. Fjateque si multiplico un kiloWatt por una hora, eso es una unidad de potencia

multiplicado por una unidad de tiempo as que el resultado es una unidad de energa.

Es precisamente la unidad que usa la AEE para medir la energa que vende. Por supuesto,para la AEE lo importante es el total de energa que se consumi y no los detalles decun rpido se consumi.

En el sistema ingls, la potencia se mide en caballos de fuerza (horsepower) cuyaabreviatura es hp. Probablemente has visto esta unidad en la placa de un motor. Esun trmino histrico y desafortunado porque en realidad no es una fuerza.


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EJEMPLO 1

Comparemos la energa para bombear 1 m cbico de agua a una altura de 10 m y lanecesaria para calentarlo 1 C.

La Energa para bombear 1 m cbico de agua a una altura de 10 m est dada por:

E=mgh= 1000 kg * 9.8 m/s2 *10 m

E= 2.78 *10 -2 kWh

La Energa necesaria para calentar este metro cbico 1 C, est dada por:

1.17kWhC1*Ccal/g/1*kg1000*c*mE !!!

Se requiere entonces 42 veces mas energa para calentar 1 m3

de agua a 1C,que para bombearlo a una altura de 10m; o se requiere la Energa generada

por la cada de 1 m3 de agua a una altura de 420 m para calentar este metro

cbico de agua a 1C.


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Aunque el concepto de fuerza nos permite entender acerca decmo trabajan las cosas, se ha encontrado que, para ciertospropsitos, y bajo ciertas circunstancias, hay otro concepto quees ms fcil de usar, el concepto de energa.

Luego se encontr que hay sistemas para los cuales las leyes deNewton no aplican. Sin embargo, la ley de energa es universal.

As que energa es el concepto ms importante en la fsica.

No es fcil dar una definicin general de energa. Hay diferentestipos de energa y cada cul se define de una manera diferente.Sin embargo, una vez dominamos las definiciones, la ley de

energa muchas veces es mucho ms fcil de usar que las leyesde Newton.

Concepto de Energa


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BIBLIOGRAFIALANE REESE, R. Fsica Universitaria. Vol. I. Edit. Thomson, Mxico, 2002.

MILLER, G. TYLER JR. Introduccin a la Ciencia Ambiental, International Thomson Editores SpainParaninfo, S.A. Madrid, Espaa, 2002.

PARKER, J.D. ET AL. Fuentes Alternas y Convertidores de Energa Elctrica; En: Finck, D.G. WoBeaty. H.Manual de Ingeniera Elctrica, Vol. II, McGrawHill Interamericana, Mxico, 1996.

RODRIGUEZ DEVIS, J.M. Energa: sus perspectivas, conversin y utilizacin en Colombia. UniversidadNacional de Colombia, TM Edit., Bogot, 2009.

SONNTAG AND VAN WYLEN, Introduccin a la Termodinmica Clsica y Estadstica, Editorial Limusa,Mexico, 1977

Futuros para Una Energa Sostenible en Colombia, UPME, Ministerio de Minas y Energa, Bogot,

1999.WORLD ENERGY ASSESSMENT: Energy and the Challenge of Sustainability, United Nations

Development Program, UNDP, 2000, New York, U.S.A.

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Bibliografa

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