1.3. Formas de manifestación de la energía

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La energía que posee un sistema puede manifestarse de muy distintas formas. En este apartado veremos los tipos de energía más importantes que puede presentar un sistema, así como las relaciones matemáticas que nos permiten calcular su valor.

 

Energía cinética

Es la debida al movimiento que tienen los cuerpos, la capacidad de producir trabajo depende de la masa de los cuerpos y de su velocidad, según la ecuación:

Energía potencial

Es la capacidad que tiene los cuerpos de producir trabajo en función de la posición que ocupan. En el caso de un cuerpo que se encuentra a una altura h respecto de un sistema de referencia:

Energía potencial elástica

Es la que se encuentra almacenada en los resortes o elementos elásticos cuando se encuentran comprimidos. El valor de esta energía es proporcional al valor de la constante de rigidez (k) del elemento elástico y la longitud de la deformación (x):

Energía mecánica

La energía mecánica de un sistema será la suma de la energía cinética, potencial y potencial elástica.

En un sistema aislado, la suma de las energías potenciales y cinética, es la energía mecánica y se mantiene constante.

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La energía eléctrica es la asociada a la corriente eléctrica. Su valor depende de la diferencia de potencial del componente, de la intensidad de corriente que lo atraviesa y del tiempo transcurrido.

También es muy frecuente utilizar la definición de energía eléctrica en función de la potencia:

Como ya hemos dicho anteriormente, la unidad de energía en el Sistema Internacional de unidades es el julio. Sin embargo cuando se habla de energía eléctrica es muy habitual utilizar el kilovatio-hora, kWh.

Recuerda que la equivalencia entre estas unidades es:

1 kWh = 3,6.106 J

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Energía química:

Energía que se libera o que hay que comunicar al sistema cuando se produce en él una reacción química.

La energía química está pues almacenada en los enlaces moleculares dentro de los cuerpos. Esta energía se libera en forma de calor. Es la energía de los alimentos y los combustibles.

En los procesos tecnológicos las reacciones químicas más habituales son las reacciones de combustión. En estas reacciones una sustancia llamada combustible reacciona con oxígeno para formar un producto y liberar energía en forma de calor. Esta energía se utilizará para realizar otros procesos.

La cantidad de energía que se puede obtener de un combustible depende de dos factores:

  • Poder calorífico (Pc): Representa la energía que se puede obtener de 1 kg de combustible.
  • Cantidad de combustible (m, V) en masa o volumen según se trate de un combustible sólido o de un fluido.

 

Es decir:

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Energía térmica:

Energía que tiene un sistema debida a la agitación de las moléculas que lo forman.

Temperatura:

Magnitud que indica el grado de agitación de las moléculas de una sustancia, su valor está asociado a la energía cinética promedio del sistema.

Es decir, la temperatura representa el grado de agitación de las moléculas de un sistema, a mayor agitación más temperatura.
Por otro lado, la experiencia dice que cuando ponemos en contacto dos cuerpos a diferente temperatura, el que está a una temperatura mayor cede parte de su energía (disminuye su temperatura) al que está a menor temperatura (aumenta su temperatura). Este proceso termina cuando las temperaturas de los cuerpos se han igualado. En ese instante se dice que el sistema ha alcanzado el equilibrio térmico y a la energía que ha pasado de un cuerpo a otro se le llamará calor.

 

Calor:

Energía que fluye desde un cuerpo que se encuentra una cierta temperatura a otro que se encuentra a una temperatura inferior.

El calor es pues una forma de energía en tránsito entre dos cuerpos. Esta energía puede ser almacenada por los cuerpos en forma de energía térmica.

Cuando dos cuerpos a diferente temperatura alcanzan el equilibrio térmico (cuando sus temperaturas se igualan), la cantidad de energía que ha pasado del cuerpo "caliente" al "frío" en forma de calor depende de tres factores:

  • La masa del sistema (m).
  • De un coeficiente llamado calor específico (ce). Este valor es característico de cada sustancia e indica la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 kg de material para aumentar su temperatura un grado kelvin.
  • Del incremento de temperatura del elemento: (ΔT = Tf-Ti), donde Tf es la temperatura final que ha alcanzado el sistema y Ti es la temperatura inicial del elemento.

    Es decir:

    El calor comunicado o desprendido para que un sistema de m kg pase de una temperatura inicial Ti a una temperatura final Tf viene dado por:

    Donde ce es el calor específico de la sustancia.

     

    Formas de intercambio de la energía térmica

    La energía térmica o calorífica se puede transmitir de tres formas diferentes:

    • Radiación: El calor se transmite en forma de ondas electromagnéticas, de modo que un cuerpo más cliente irradia calor en todas las direcciones.
    • Convección: Este tipo de transmisión se da en los fluidos, tanto líquidos como gaseosos, ya que al calentarse disminuyen su densidad y pasan sus moléculas a ocupar la zona superior, por lo que el lugar vacante es reemplazado por nuevas moléculas frías, estableciéndose una corriente llamada convección.
    • Conducción: El calor es transmitido entre dos cuerpos que tengan diferentes temperaturas por medio de un contacto físico, hasta que se igualen las temperaturas de los cuerpos.

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    La energía nuclear se manifiesta en las llamadas reacciones nucleares. Existen dos tipos de reacciones nucleares.

    • Reacción de fisión: Cuando se rompen núcleos pesados de material fisionable (uranio, plutonio), para constituir otros más ligeros.
    • Reacción de fusión: Cuando los núcleos de varios átomos ligeros (helio y tritio) se unen para formar un núcleo más pesado (helio).

    En estos procesos una pequeña parte de la materia de los núcleos implicados desaparece, transformándose en energía. Albert Einstein llegó a cuantificar la relación entre la masa desaparecida y la energía generada.

    En una reacción nuclear la relación entre la masa desaparecida y la energía liberada viene dada por:

     

     


    Donde m es la masa desaparecida expresada en kg y c la velocidad de la luz (300.000 km/s).