CAPÍTULO 4 / TEMA 3

Formas de energía

La energía es la capacidad que posee un cuerpo de realizar distintos tipos de trabajo, como el movimiento, el calor o la luz. Esta energía puede manifestarse de muchas maneras, ya sea transferida o transformada de un tipo a otro.

ENERGÍA MECÁNICA

Es la energía almacenada y relacionada con la posición y el movimiento de los cuerpos. Asimismo, es producto de la suma de otras dos formar de energía: la cinética y la potencial.

¿Sabías qué?
En física, el trabajo es un principio de la mecánica que comprende una fuerza y un desplazamiento; el trabajo (W) lo usamos para describir cuantitativamente lo que se obtiene cuando una fuerza hace mover a un cuerpo a lo largo de una distancia.

Energía potencial

Es cualquier forma de energía con un potencial almacenado que puede ser usado en el futuro y que solamente se manifiesta al convertirse en energía cinética.

La energía potencial se puede presentar como:

Energía potencial gravitatoria

Es la que poseen los cuerpos debido a la fuerza de gravedad que ejerce la Tierra.

Energía potencial elástica

Es la energía acumulada en un cuerpo elástico, es decir, aquellos que tienen la capacidad de deformarse y luego recuperar su forma original.

Energía potencial química

Es aquella que se transforma en energía cinética a partir de un proceso de combustión interna.

Energía cinética

Significa “movimiento”, cuanto más rápido se mueve un objeto, mayor es su energía cinética. Ésta se puede convertir en energía mecánica mediante molinos de agua, molinos de viento o bombas conectadas a turbinas o a electricidad.

El valor de esta forma de energía depende de la masa (m) y de la velocidad (v) del cuerpo.

Cuando se lanza una pelota, gana energía cinética progresivamente.
Justo en el punto más elevado de la montaña rusa, toda la energía del vagón sería energía potencial, y al comenzar a descender, la energía potencial se transforma en energía cinética.

ENERGÍA QUÍMICA

La energía química es aquella que posee la materia debido a su estructura interna, este tipo de energía se puede aprovechar de las reacciones químicas, ya que se origina en las uniones entre átomos y moléculas. Esta energía puede ser liberada o absorbida durante la reacción, por lo tanto también puede liberar o absorber calor.

Las reacciones químicas pueden ser:
Exotérmicas si liberan calor Endotérmicas si absorben calor

Respiración de los seres vivos.

 

Combustión de compuestos orgánicos.

Fotosíntesis.

 

Descomposición de proteínas.

¿Qué es la biomasa?

Es material orgánico que proviene de plantas y animales, y es una fuente de energía renovable. Cuando se quema el material se libera calor que puede ser aprovechado, es decir, se transforma la energía química contenida en energía térmica.

 

La combustión es una de las reacciones más comunes. En estas reacciones el oxígeno del aire reacciona con un combustible y libera energía en forma de calor. Esta transformación se puede representar de la siguiente forma:

 

Donde:

Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder, es decir, la energía que puede obtenerse de un kilogramo de combustible.

m = masa del cuerpo que se quema (en kg).

V = volumen del cuerpo que se quema (en m3).

ENERGÍA TÉRMICA

La energía térmica es la manifestación de la energía en forma de calor, por lo tanto es una energía en “paso o de tránsito”, que se transfiere de un cuerpo a otro. Se debe al movimiento de las partículas que forman la materia. Cuando ese movimiento se acelera, aumenta la temperatura y por consiguiente hay más energía térmica.

Así, cuando un cuerpo esté a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. De este modo, el calor no es más que una forma de denominar a los aumentos y pérdidas de energía térmica.

El calor puede transferirse de distintas formas:

Conducción

Es la transferencia de energía térmica que se produce a través de un medio material sin que se manifieste transporte de materia.

Convección

Es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida, como aire o agua. En esta forma de propagación sí hay transporte de materia.

Radiación

Es la transmisión del calor por ondas electromagnéticas, a diferencia de la conducción y convección, no necesita de un medio material para propagarse.

Se debe saber que a causa del intercambio de calor, un cuerpo puede variar su temperatura o cambiar su estado (por ejemplo, de líquido a sólido). Si se quiere calcular la cantidad de energía intercambiada es posible utilizar la siguiente ecuación:

Donde:

Q = cantidad de energía en forma de calor intercambiada entre los sistemas.

m = masa del sistema.

c = propiedad que depende del material que constituye el cuerpo y se denomina calor específico.

ΔT = variación de temperatura.

ENERGÍA RADIANTE

Este tipo de energía es producida por las ondas electromagnéticas, como las ondas de radio. Se caracteriza principalmente por la capacidad que tiene de propagarse en todas las direcciones en el vacío sin soporte material.

La energía solar es un ejemplo de energía radiante.

La energía radiante está en constante movimiento y a velocidades altísimas, lo que forma ondas que poseen distintas longitudes y frecuencias. La mayoría de estas ondas puede propagarse por el vacío, por eso, los rayos del Sol o las ondas de los satélites pueden llegar hasta la superficie de la Tierra.

Ejemplos de energía radiante

 

Rayos X.

 

 

Rayos infrarrojos.

 

 

Rayos ultravioletas.

¿Qué son las ondas electromagnéticas?

Son aquellas que se pueden propagar en el vacío sin necesidad de un medio material. La luz, los rayos x, los rayos láser y otros, son ejemplos de ondas electromagnéticas.

ENERGÍA ELÉCTRICA

Este tipo de energía es causada por el movimiento de las cargas eléctricas o de los electrones que poseen los materiales conductores. Puede generarse a partir de otras energías y, a su vez, puede ser transformada y producir varios efectos: luminosos, térmicos y magnéticos.

Un relámpago es la emisión de luz seguida de la descarga eléctrica del rayo.

La energía eléctrica es aquella que se usa al encender la luz, calentar la comida con el horno de microondas o cargar el teléfono celular. Una forma de obtener energía eléctrica a partir del Sol es mediante la utilización de paneles solares.

La energía eléctrica puede representarse de la siguiente manera:

Donde:

P = potencia expresada en vatio (W).

t = tiempo en segundos.

V = voltaje en voltios (V).

R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω).

I = intensidad d corriente en amperios (A).

¿Qué es la electricidad?

El término “electricidad” deriva del griego electron, que significa “ámbar”, y con este nombre se denominan todos los fenómenos físicos relacionados con la atracción de cargas negativas o positivas, y resultantes de la presencia y flujo de una corriente eléctrica.

 

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ENERGÍA MAGNÉTICA

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Es la capacidad de atraer o repeler que poseen algunos materiales sobre otros y que originan campos magnéticos permanentes que producen energía magnética. Existen diversos materiales con propiedades magnéticas, entre ellos se encuentran el níquel, el cobalto, el hierro y sus aleaciones. Sin embargo, la presencia de campos magnéticos influye, en mayor o menor medida, en todos los materiales.

¿Sabías qué?
En año 1819, el danés Hans Christian Orested fue el primero en relacionar los imanes con las corrientes eléctricas para definir lo que hoy se conoce como electromagnetismo.

Teorías del magnetismo

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Para poder comprender el fenómeno del magnetismo se han desarrollado distintas teorías.

Teoría de Weber

Un imán puede dividirse indefinidamente y aun así conservar sus propiedades magnéticas. Los materiales están compuestos de pequeñas moléculas imantadas.

Teoría de Ewing

Los materiales están compuestos por grupos de átomos con momentos magnéticos diferentes que son capaces de reordenarse cuando se les aproxima un material imantado y volverse magnéticos.

Teoría de Ampere

Cuando las corrientes elementales de un material ferromagnético son ordenadas, éste adquiere propiedades magnéticas.

¿Qué es un campo magnético?

Es la región en la cual el imán ejerce sus efectos. Esta zona muchas veces no puede ser observada a simple vista. Para representar el campo magnético se utilizan líneas denominadas líneas de fuerza.

Las brújulas y los imanes representan los ejemplos más comunes de magnetismo.

ENERGÍA NUCLEAR

Es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Se puede obtener a través de reacciones de fisión y fusión de un núcleo atómico. Dentro de los núcleos atómicos, las fuerzas entre los protones y neutrones son muy intensas, por lo que los procesos de transformación nuclear generan gran cantidad de energía.

Tipos reacciones nucleares

Reacción de fusión

Es un proceso en el que dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. En el proceso se desprende gran cantidad de energía.

Reacción de fisión

Es un proceso en el que un núcleo de gran tamaño se divide en núcleos más pequeños mientras libera neutrones y gran cantidad de energía.

En estas reacciones nucleares la energía se expresa en relación a la masa:

Donde:

E = energía, se mide en julios (J).

m = masa que desaparece (en kg).

c = velocidad de la luz (3 x 108 m/s).

Bomba atómica

La bomba atómica adquiere su nombre debido a su funcionamiento, ya que no depende de la combustión de algún material o de la reacción de algunos materiales o elementos químicos, sino que se basan en reacciones nucleares.

 

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RECURSOS PARA DOCENTES

Video “energía de un oscilador mecánico”

Recurso audiovisual que le permitirá resolver problemas sobre energía de un oscilador mecánico.

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Video “Física nuclear: desintegración radiactiva”

Este video explica en detalle en qué consiste el proceso de desintegración de núcleos radiactivos.

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Video “Energía y las reacciones químicas”

Este recurso describe cómo se manifiesta la energía en las reacciones químicas.

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Características de las estrellas

Básicamente, las estrellas son grandes bolas de gas en explosión, principalmente hidrógeno y helio. Nuestra estrella más cercana, el Sol, está tan caliente que la enorme cantidad de hidrógeno experimenta una reacción nuclear constante en toda la estrella, como en una bomba de hidrógeno.

¿Qué son las estrellas?

Las estrellas son astros gaseosos e incandescentes (por ejemplo, el Sol) y aparecen como simples puntos de luz a causa de la enorme distancia a que se encuentran. En una noche sin luna se pueden observar a simple vista entre 2.500 y 3.000 estrellas en cada hemisferio. El catálogo estelar o mapa celeste más antiguo conocido es el confeccionado por Claudio Tolomeo (hacia el 150 d. C.), basado probablemente en el de Hiparco (130 a. C.). Tolomeo catalogó 1.022 estrellas y las subdividió en seis clases de magnitudes: desde las más brillantes, Sirio y Vega, que definen la primera magnitud, hasta llegar a las más débiles, que corresponden a la sexta magnitud. El término galaxia designa los sistemas independientes de estrellas que se hallan situados fuera del nuestro, la denominada Vía Láctea. Contienen entre 3.000 millones y un billón de estrellas, además de una gran cantidad de polvo y gas interestelar.

¿Sabías qué...?
Con un pequeño telescopio se pueden ver unas 300.000 estrellas; con uno de tamaño mediano hasta 250 millones, y más de 3.000 millones con los más perfeccionados.

Las estrellas constituyen uno de los principales tipos de cuerpos que pueblan el universo. Una estrella es una bola caliente de gas que brilla como consecuencia de las reacciones de fusión nuclear que se producen en su núcleo. Al igual que los demás cuerpos celestes, están compuestas en su mayor parte por hidrógeno, el más simple y ligero de los elementos.

Resto de la supernova conocida como Casiopea.

Características de las estrellas

Además del brillo, las características físicas más importantes de una estrella son el color, el diámetro y la masa.

El color

A mediados del siglo pasado se clasificaban las estrellas por su color, se creía que éste dependía de la temperatura superficial, del mismo modo que una barra de hierro calentada hasta la incandescencia se vuelve primero roja, luego anaranjada, más tarde amarilla y finalmente blanca, a medida que la temperatura aumenta. En la actualidad está correctamente establecida la relación entre la temperatura y el color.

El espectro del Sol y las estrellas forma un continuo surco de rayas oscuras, a veces brillantes, a partir de las cuales es posible identificar los elementos químicos presentes y el porcentaje de los mismos. De tales rayas es posible obtener también la temperatura y características físicas como la presión o los campos magnéticos y eléctricos.

Por tanto, es evidente que debe existir también una relación entre el color y las características del espectro lineal, siendo ambos esencialmente dependientes de la temperatura.

El diámetro y la masa

Determinar el diámetro de las estrellas es también un gran problema ya que los mayores telescopios muestran sólo puntos y no discos. En 1930, Albert Michelson (1852-1931), mediante el uso de interferómetros (aparatos para realizar mediciones muy precisas basadas en los fenómenos de interferencia de la luz que incide sobre ellos), logró medir el diámetro de algunas estrellas supergigantes relativamente cercanas, como Antares y Betelgeuse; resultaron tener, respectivamente, unos diámetros 400 y 300 veces mayores que el del Sol.

Existen estrellas con diámetros centenares de veces mayores que el del Sol y otras con diámetros casi iguales al de éste. Puede afirmarse que los diámetros estelares varían desde 10.000 kilómetros a 1.000 millones de kilómetros, pero la mayoría de las estrellas de la secuencia principal tienen diámetros comprendidos entre 0,5 (enanas rojas) y 10 veces el diámetro del Sol.

La estrella Beta Pictoris, segunda en importancia de la constelación del Pintor, está a 50 años luz de la Tierra. Como puede apreciarse en la imagen, la rodea un disco de materia que se extiende hasta 60 billones de km.

Para calcular las masas de las estrellas, Arthur Stanley Eddington (1882-1944), en 1924, halló de manera teórica la existencia de una relación entre masa y luminosidad (las estrellas de masa mayor son también las más luminosas), relación que había sido ya demostrada empíricamente a partir de las pocas estrellas cuyas masa y luminosidad se conocían.

Las variaciones de las distintas masas son bastante más reducidas que las de los volúmenes, pasando de unas 0,2 a 50 veces la masa solar. Por consiguiente, la densidad media de las estrellas gigantes rojas resulta del orden de 0,0001 g/cm3, y la de las enanas blancas es de 105 g/cm3. Véanse algunos ejemplos: el Sol, que es una estrella, tiene una densidad poco mayor que la del agua, o sea 1,41 g/cm3; Antares, una estrella supergigante roja, una millonésima parte de la densidad del agua; una estrella enana blanca, como la compañera de Sirio, llamada Sirio B, con la misma masa que el Sol y un diámetro sólo cuatro veces el de nuestro planeta, la Tierra, tiene una densidad de 1.000 000 veces la del agua. Con tan enorme densidad, el gas que constituye la enana blanca se encuentra en un estado degenerado.

S. Eddington

Astrónomo y físico británico (1882-1944). Desarrolló métodos para la determinación de la masa, la temperatura y la constitución interna de las estrellas.