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La fisica y quimica

5.1: La naturaleza de la energía

                 

 

Objetivos de aprendizaje

 

         

  • Comprender el concepto de energía y sus diversas formas.
  •      

  • Conocer la relación entre energía, trabajo y calor.
  •  

 

 

Debido a que la energía toma muchas formas, solo algunas de las cuales se pueden ver o sentir, se define por su efecto sobre la materia. Por ejemplo, los hornos de microondas producen energía para cocinar, pero no podemos ver esa energía. En contraste, podemos ver la energía producida por una bombilla cuando encendemos una lámpara. En esta sección, describimos las formas de energía y discutimos la relación entre energía, calor y trabajo.

 

Formas de energía

 

Las formas de energía incluyen energía térmica, energía radiante, energía eléctrica, energía nuclear y energía química (Figura ( PageIndex {1} )). La energía térmica resulta del movimiento atómico y molecular; cuanto más rápido es el movimiento, mayor es la energía térmica. La temperatura de un objeto es una medida de su contenido de energía térmica. La energía radiante es la energía transportada por la luz, las microondas y las ondas de radio. Los objetos que quedan bajo la luz del sol o expuestos a las microondas se calientan porque gran parte de la energía radiante que absorben se convierte en energía térmica. La energía eléctrica resulta del flujo de partículas cargadas eléctricamente. Cuando la tierra y una nube desarrollan una separación de carga, por ejemplo, el flujo resultante de electrones de uno a otro produce rayos, una forma natural de energía eléctrica. La energía nuclear se almacena en el núcleo de un átomo, y la energía química se almacena dentro de un compuesto químico debido a una disposición particular de los átomos.

 

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Figura ( PageIndex {1} ): Formas de energía. (a) La energía térmica resulta del movimiento atómico y molecular; El acero fundido a 2000 ° C tiene un muy alto contenido de energía térmica. (b) La energía radiante (por ejemplo, del sol) es la energía de la luz, las microondas y las ondas de radio. (c) Los rayos son un ejemplo de energía eléctrica , que se debe al flujo de partículas cargadas eléctricamente. (d) La energía nuclear se libera cuando se reorganizan las partículas en el núcleo del átomo. (e) La energía química resulta de la disposición particular de los átomos en un compuesto químico; El calor y la luz producidos en esta reacción se deben a la energía liberada durante la ruptura y reforma de los enlaces químicos.

 

La energía eléctrica, la energía nuclear y la energía química son diferentes formas de energía potencial (PE), que es la energía almacenada en un objeto debido a las posiciones u orientaciones relativas de sus componentes. Un ladrillo que yace en el alféizar de una oficina del piso 10 tiene una gran cantidad de energía potencial, pero hasta que su posición cambie al caerse, la energía está contenida. En contraste, la energía cinética (KE) es energía debida al movimiento de un objeto. Cuando el ladrillo cae, su energía potencial se transforma en energía cinética, que luego se transfiere al objeto en el suelo que golpea. La atracción electrostática entre partículas con carga opuesta es una forma de energía potencial, que se convierte en energía cinética cuando las partículas cargadas se mueven una hacia la otra.

 

La energía puede convertirse de una forma a otra (Figura ( PageIndex {2} )) o, como vimos con el ladrillo, transferirse de un objeto a otro. Por ejemplo, cuando sube una escalera a un trampolín alto, su cuerpo usa energía química producida por la combustión de moléculas orgánicas. A medida que asciende, la energía química se convierte en trabajo mecánico para superar la fuerza de la gravedad. Cuando te paras en el extremo del trampolín, tu energía potencial es mayor de lo que era antes de subir la escalera: cuanto mayor es la distancia del agua, mayor es la energía potencial. Cuando te sumerges en el agua, tu energía potencial se convierte en energía cinética a medida que caes, y cuando golpeas la superficie, parte de esa energía se transfiere al agua, haciendo que salpique en el aire. La energía química también se puede convertir en energía radiante; Un ejemplo común es la luz emitida por las luciérnagas, que se produce a partir de una reacción química.

 

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Figura ( PageIndex {2} ): Interconversión de formas de energía. Cuando un nadador se baja de la plataforma para sumergirse en el agua, la energía potencial se convierte en energía cinética. A medida que el nadador vuelve a subir a la parte superior de la plataforma de buceo, la energía química se convierte en trabajo mecánico.

 

Aunque la energía se puede convertir de una forma a otra, la cantidad total de energía en el universo permanece constante . Esto se conoce como la ley de conservación de la energía : La energía no se puede crear ni destruir.

 

Energía, calor y trabajo

 

Una definición de energía es la capacidad de hacer trabajo. La forma más fácil de trabajo para visualizar es el trabajo mecánico (Figura ( PageIndex {3} )), que es la energía requerida para mover un objeto una distancia d cuando se opone a una fuerza F, como la gravedad:

 

trabajo = fuerza x distancia

 

[w = F , d label {5.1.1} ]

 

Debido a que la fuerza (F) que se opone a la acción es igual a la masa (m) del objeto multiplicada por su aceleración (a), también podemos escribir la ecuación ( ref {5.1.1} ) de la siguiente manera:

 

trabajo = masa x aceleración x distancia

 

[w = m , a , d label {5.1.2} ]

 

La recuperación de ese peso es una fuerza causada por la atracción gravitacional entre dos masas, como tú y la Tierra.

 

Considere el trabajo mecánico requerido para viajar desde el primer piso de un edificio hasta el segundo. Ya sea que tomes un elevador o una escalera mecánica, subas las escaleras o saltes las escaleras de dos en dos, la energía se gasta para superar la fuerza de la gravedad. La cantidad de trabajo realizado ( w ) y, por lo tanto, la energía requerida depende de tres cosas:

 

         

  1. la altura del segundo piso (la distancia d );
  2.      

  3. tu masa, que debe elevarse esa distancia contra la aceleración descendente debido a la gravedad; y
  4.      

  5. tu camino.
  6.  

 

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Figura ( PageIndex {2} ): Un ejemplo de trabajo mecánico. Una forma de energía es el trabajo mecánico, la energía requerida para mover un objeto de masa m una distancia d cuando se opone por una fuerza F , como la gravedad.

 

En contraste, el calor ( q ) es la energía térmica que se puede transferir de un objeto a una temperatura a un objeto a otra temperatura. La transferencia neta de energía térmica se detiene cuando los dos objetos alcanzan la misma temperatura.

 

La energía es una propiedad extensa de la materia; por ejemplo, la cantidad de energía térmica en un objeto es proporcional tanto a su masa como a su temperatura. Un calentador de agua que contiene 150 L de agua a 50 ° C contiene mucha más energía térmica que una bandeja de 1 L de agua a 50 ° C. Del mismo modo, una bomba contiene mucha más energía química que un petardo. Ahora presentamos una descripción más detallada de la energía cinética y potencial.

 

Energía cinética y potencial

 

La energía cinética de un objeto está relacionada con su masa (m ) y velocidad (v ):

 

[KE = dfrac {1} {2} mv ^ 2 label {5.1.4} ]

 

Por ejemplo, la energía cinética de un automóvil de 1360 kg (aproximadamente 3000 lb) que viaja a una velocidad de 26.8 m / s (aproximadamente 60 mi / h) es

 

[KE = dfrac {1} {2} (1360 kg) (26.8 ms) ^ 2 = 4.88 veces 10 ^ 5 g cdot m ^ 2 label {5.1.5} ]

 

Debido a que todas las formas de energía pueden ser interconvertidas, la energía en cualquier forma puede expresarse usando las mismas unidades que la energía cinética. La unidad de energía del SI, el joule (J), lleva el nombre del físico británico James Joule (1818-1889), uno de los primeros trabajadores en el campo de la energía. se define como 1 kilogramo · metro 2 / segundo 2 (kg · m 2 / s 2 ). Debido a que un julio es una cantidad de energía tan pequeña, los químicos generalmente expresan energía en kilojulios (1 kJ = 10 3 J). Por ejemplo, la energía cinética del automóvil de 1360 kg que viaja a 26.8 m / s es 4.88 × 10 5 J o 4.88 × 10 2 kJ. Es importante recordar que las unidades de energía son las mismas independientemente de la forma de energía , ya sea térmica, radiante, química o de cualquier otra forma. Debido a que el calor y el trabajo provocan cambios en la energía, sus unidades también deben ser las mismas.

 

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Para demostrarlo, calculemos la energía potencial del mismo automóvil de 1360 kg si estuviera estacionado en el nivel superior de un estacionamiento de 36.6 m (120 pies) de altura. Su energía potencial es equivalente a la cantidad de trabajo requerido para elevar el vehículo desde el nivel de la calle hasta el nivel superior del estacionamiento, que es w = Fd . Según la ecuación ( ref {5.1.2} ), la fuerza ( F ) ejercida por la gravedad sobre cualquier objeto es igual a su masa ( m , en este caso, 1360 kg) veces la aceleración ( a ) debido a la gravedad ( g , 9.81 m / s 2 en la superficie de la Tierra). La distancia ( d ) es la altura ( h ) sobre el nivel de la calle (en este caso, 36,6 m). Por lo tanto, la energía potencial del automóvil es la siguiente:

 

[PE = F ; d = m , a ; d = m , g , h label {5.1.6a} ]

 

[PE = (1360, Kg) left ( dfrac {9.81 , m} {s ^ 2} right) (36.6 ; m) = 4.88 times 10 ^ 5 ; frac {Kg cdot m} {s ^ 2} label {5.1.6b} ]

 

[= 4.88 por 10 ^ 5 J = 488 ; kJ label {5.1.6c} ]

 

Las unidades de energía potencial son las mismas que las unidades de energía cinética. Observe que, en este caso, la energía potencial del automóvil estacionario en la parte superior de un estacionamiento de 36.6 m de altura es la misma que su energía cinética a 60 mi / h.

 

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Si el vehículo se cayera del techo del estacionamiento, su energía potencial se convertiría en energía cinética, y es razonable inferir que el vehículo viajaría a 60 mi / h justo antes de tocar el suelo, descuidando resistencia del aire. Después de que el automóvil toque el suelo, su potencial y energía cinética serían cero.

 

La energía potencial generalmente se define en relación con una posición estándar arbitraria (en este caso, a la calle se le asignó una elevación de cero). Como resultado, generalmente calculamos solo las diferencias en la energía potencial: en este caso, la diferencia entre la energía potencial del automóvil en el nivel superior del estacionamiento y la energía potencial del mismo automóvil en la calle en la base del garaje.

 

 

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Unidades de energía

 

Las unidades de energía son las mismas para todas las formas de energía. La energía también se puede expresar en las unidades de calorías (cal) que no son del SI, donde 1 cal se definió originalmente como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de exactamente 1 g de agua de 14.5 ° C a 15.5 ° C. Especificamos las temperaturas exactas porque la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua 1 ° C varía ligeramente con la elevación. Sin embargo, para tres cifras significativas, esta cantidad es 1.00 cal sobre el rango de temperatura 0 ° C – 100 ° C. El nombre se deriva del latín calor , que significa “calor”. Aunque la energía se puede expresar como calorías o julios, las calorías se definieron en términos de calor, mientras que los julios se definieron en términos de movimiento. Sin embargo, debido a que las calorías y los julios son ambas unidades de energía, la caloría ahora se define en términos del julio:

 

[1 ; cal = 4.184 ; J ; text {exactamente} label {5.1.7a} ]

 

[1 ; J = 0.2390 ; cal label {5.1.7b} ]

 

En este texto, utilizaremos las unidades SI (julios (J) y kilojulios (kJ)) de forma exclusiva, excepto cuando tratemos con información nutricional.

 

 

Ejemplo ( PageIndex {1} )

 

         

  1. Si la masa de una pelota de béisbol es de 149 g, ¿cuál es la energía cinética de una pelota rápida a 100 mi / h?
  2.      

  3. Un bateador golpea una mosca pop, y la pelota de béisbol (con una masa de 149 g) alcanza una altitud de 250 pies. Si suponemos que la pelota estaba 3 pies por encima del plato de inicio cuando el bateador la golpeó, ¿cuál es el aumento? en su energía potencial?
  4.  

 

Dado: masa y velocidad o altura

 

Preguntado por: energía cinética y potencial

 

Estrategia:

 

Utilice la ecuación 5.1.4 para calcular la energía cinética y la ecuación 5.1.6 para calcular la energía potencial, según corresponda.

 

Solución:

 

         

  1.      

    La energía cinética de un objeto viene dada por ( frac {1} {2} mv ^ 2 ) En este caso, conocemos tanto la masa como la velocidad, pero debemos convertir la velocidad en unidades SI: [v = left ( dfrac {100 ; cancel {mi}} {1 ; cancel {h}} right) left ( dfrac {1 ; cancel {h}} {60 ; cancel {min}} right) left ( dfrac {1 ; cancel {min}} {60 ; s} right) left ( dfrac {1.61 ; cancel {km}} { 1 ; cancel {mi}} right) ( dfrac {1000 ; m} {1 ; cancel {km}}) = 44.7 ; m / s ]

         

    La energía cinética del béisbol es por lo tanto [
        KE = 1492 ; cancel {g} left ( dfrac {1 ; kg} {1000 ; cancel {g}} right) left ( dfrac {44.7 ; m} {s} right ) ^ 2 = 1.49 veces 10 ^ 2 dfrac {kg⋅m ^ 2} {s ^ 2} = 1.49 veces10 ^ 2 ; J ]

         

  2.      

  3.      

    El aumento en la energía potencial es igual a la cantidad de trabajo requerido para elevar la pelota a su nueva altitud, que es (250 – 3) = 247 pies por encima de su posición inicial. Por lo tanto, [PE = 149 ; cancel {g} left ( dfrac {1 ; kg} {1000 ; cancel {g}} right) left ( dfrac {9.81 ; m} {s ^ 2} right) left (247 ; cancel {ft} right) left ( dfrac {0.3048 ; m} {1 ; cancel {ft}} right) = 1.10 veces 10 ^ 2 dfrac {kg⋅m ^ 2} {s ^ 2} = 1.10 por 10 ^ 2 ; J ]

         

  4.  

 

 

 

Ejercicio ( PageIndex {1} )

 

         

  1. En una bolera, la distancia desde la línea de foul al pin de la cabeza es de 59 pies, 10 13/16 pulgadas (18.26 m). Si una bola de boliche de 16 lb (7.3 kg) tarda 2.0 s en alcanzar el pin de la cabeza, ¿cuál es su energía cinética en el impacto? (Suponga que su velocidad es constante.)
  2.      

  3. ¿Cuál es la energía potencial de una bola de boliche de 16 lb sostenida 3.0 pies sobre su pie?
  4.  

 

     

Responda a

     

     

3,10 × 10 2 J

     

     

Respuesta b

     

     

65 J

     

 

 

 

Resumen

 

Todas las formas de energía pueden ser interconvertidas. Tres cosas pueden cambiar la energía de un objeto: la transferencia de calor, el trabajo realizado sobre o por un objeto, o alguna combinación de calor y trabajo. La termoquímica es una rama de la química que describe cualitativa y cuantitativamente los cambios de energía que ocurren durante las reacciones químicas. La energía es la capacidad de hacer trabajo. El trabajo mecánico es la cantidad de energía requerida para mover un objeto a una distancia dada cuando se le opone una fuerza. La energía térmica se debe a los movimientos aleatorios de átomos, moléculas o iones en una sustancia. La temperatura de un objeto es una medida de la cantidad de energía térmica que contiene. Calor ( q ) es la transferencia de energía térmica de un objeto más caliente a uno más frío. La energía puede tomar muchas formas; la mayoría son diferentes variedades de energía potencial ( PE ) , energía causada por la posición u orientación relativa de un objeto. La energía cinética ( KE ) es la energía que posee un objeto debido a su movimiento. Las unidades de energía más comunes son el joule (J) , definido como 1 (kg · m 2 ) / s 2 y la caloría , definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ° C (1 cal = 4.184 J).