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¿Qué es energía?
• La energía es una magnitud
física abstracta, ligada al
estado dinámico de un
sistema cerrado y que
permanece invariable con el
tiempo. También se puede
definir la energía de sistemas
abiertos, es decir, partes no
aisladas entre sí de un
sistema cerrado mayor. Un
enunciado clásico de la física
newtoniana afirmaba que:
“La energía ni se crea ni se
destruye, solo se
transforma.”
•
Todos los cuerpos, pueden poseer
energía debido a su movimiento, a su
composición química, a su posición, a su
temperatura, a su masa y a algunas otras
propiedades. En las diversas disciplinas
de la física y la ciencia, se dan varias
definiciones de energía, por supuesto
todas coherentes y complementarias
entre sí, todas ellas siempre relacionadas
con el concepto de trabajo.
Energía Mecánica
La energía mecánica es la suma de la energía cinética (debida al movimiento) y la
energía potencial (la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas
conservativo).
Esta suma de energías se denomina energía mecánica, y se escribe genéricamente
como:
Fuerzas que intervienen en
un cuerpo lanzado hacia
arriba: una genera
movimiento (energía cinética)
y la otra, el peso, va
acumulando energía
potencial gravitatoria hasta el
punto más elevado de la
trayectoria.
Energía Cinética:
Posee un cuerpo de masa m por encontrarse en movimiento. Existe el
movimiento lineal y el movimiento angular. Es el trabajo necesario para
acelerar una partícula desde una velocidad (angular y lineal) nula hasta
una velocidad (angular y lineal) dada. Las unidades del SI para la
energía son joules.
En mecánica clásica la energía cinética se puede calcular a partir de la
ecuación del trabajo y la expresión de una fuerza F dada por la segunda
ley de Newton:
Energía Potencial:
Es una magnitud escalar asociado a un campo de fuerzas (o como en
elasticidad un campo tensorial de tensiones). Cuando la energía
potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia entre los
valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado
por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A.
a) Energía Potencial Gravitatoria (Ep)
Supóngase que se quiere levantar un peso W una altura h, mediante una grúa, para después
soltarle y que sirva para clavar un pilote como se muestra en la figura
Se dice entonces que el
sistema tierra - cuerpo
posee una energía potencial
gravitatoria. Al soltar el
cuerpo, éste realizará un
trabajo al golpear el pilote
(c).
La fuerza externa F
requerida para levantar el
cuerpo (a) deberá ser por lo
menos igual al peso W.
Entonces el trabajo realizado
por la fuerza será:
La misma cantidad de trabajo se realizará cuando el
cuerpo desciende la altura h (b). Entonces el cuerpo
tiene una energía potencial gravitatoria igual al
trabajo externo realizado para levantar el cuerpo,
luego la energía potencial del cuerpo será igual a:
** La energía potencial
gravitatoria solamente tiene
significado cuando se
establece un nivel de
referencia.
b) Energía potencial elástica:
Cuando se comprime un resorte como el de la figura, una fuerza variable hace un
trabajo sobre éste. Conforme el resorte está comprimido (o estirado) cada vez más, la
fuerza de restauración del resorte se hace más grande y es necesario aplicar una
fuerza mayor. Se encuentra que la fuerza F aplicada es directamente proporcional al
desplazamiento o al cambio de longitud del resorte, es decir
sí x0=0, entonces
En donde k es una constante de
proporcionalidad denominada
constante del resorte y cuyas
unidades son N/m.
La fuerza promedio que se
hará para comprimir el
resorte será:
Este trabajo sobre un resorte se
convierte en la energía potencial
elástica del mismo.
En donde:
k = constante del resorte
x = distancia que el resorte se comprime o alarga
Energía Electromagnética
Es la cantidad de energía almacenada en una región del
espacio que podemos atribuir a la presencia de un campo
electromagnético, y que se expresará en función de las
intensidades de campo magnético y campo eléctrico. En
un punto del espacio la densidad de energía
electromagnética depende de una suma de dos términos
proporcionales al cuadrado de las intensidades de
campo. Se compone de:
Energía radiante: Es la que poseen las ondas electromagnéticas
como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta
(UV), los rayos infrarrojo (IR), etc. La característica principal
de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin
necesidad de soporte material alguno. Ej.: La energía que
proporciona el Sol y que nos llega a la Tierra en forma de luz y
calor.
Termodinámica
Rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas
manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo. Se
compone de:
a)
Energía interna:
Se denomina energía interna del sistema a la suma de las energías de todas sus partículas.
En un gas ideal las moléculas solamente tienen energía cinética, los choques entre las
moléculas se suponen perfectamente elásticos, la energía interna solamente depende de la
temperatura.
a) Energía Térmica:
Se denomina energía térmica a la energía
liberada en forma de calor, obtenida de la
naturaleza (energía geotérmica), mediante la
combustión de algún combustible fósil
(petróleo, gas natural o carbón), mediante
energía eléctrica por efecto Joule, por
rozamiento, por un proceso de fisión nuclear
o como residuo de otros procesos mecánicos
o químicos.
La energía térmica también se
puede aprovechar en un motor
térmico; en el caso de la energía
nuclear para la generación de
energía eléctrica, y en el caso de
la combustión, además, para
obtener trabajo, como en los
motores de los automóviles o de
los aviones.
Física relativista clásica
a) Energía en reposo:
La energía en reposo de una partícula másica es el valor de la energía total de un partícula
medida por un observador que esté en reposo respecto a la partícula. Para las partículas sin
masa no puede definirse ya que resulta imposible encontrar un observador material que
esté en reposo respecto a ellas de acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein.
b)
Energía de desintegración: Es la diferencia de energía en reposo entre las
partículas iniciales y finales de una desintegración.
Es la diferencia de energía existente entre las partículas iniciales y las finales de un
proceso de desintegración. Se aplica la relación entre la masa y la energía:
Q = (masa de los partículas iniciales - masa de las partículas finales) · c²
Si la energía, Q, es positiva, la reacción es exoérgica o exotérmica; si es negativa la
reacción es endoérgica o endotérmica.
Formas de generación de energía
eléctrica
•
Energía renovables:
a) Energía eolica:
La energía eólica es la que se obtiene por
medio del viento, es decir mediante la
utilización de la energía cinética generada
por efecto de las corrientes de aire.
La energía eólica ha sido
aprovechada desde la antigüedad
para mover los barcos impulsados por
velas o hacer funcionar la maquinaria
de molinos al mover sus aspas. Es un
tipo de energía verde.
En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores. En estos la energía
eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un
generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación
resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos.
b) Energía geotérmica:
Es aquella energía que puede ser
obtenida por el hombre mediante el
aprovechamiento del calor del interior
de la Tierra. El calor del interior de la
Tierra se debe a varios factores,
entre los que caben destacar el
gradiente geotérmico, el calor
radiogénico, etc. Geotérmico viene
del griego geo, "Tierra", y thermos,
"calor"; literalmente "calor de la
Tierra".
c) Energía Hidráulica:
Es aquella que se
obtiene del
aprovechamiento
de las energías
cinética y potencial
de la corriente de
ríos, saltos de agua
o mareas. Es un
tipo de energía
verde cuando su
impacto ambiental
es mínimo y usa la
fuerza hídrica sin
represarla, caso
contrario es
considerada solo
una forma de
energía renovable.
Se puede transformar a muy diferentes escalas, existiendo desde hace
siglos pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un
rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos
rurales. Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las
centrales hidroeléctricas de represas, aunque estas últimas no son
consideradas formas de energía verde por el alto impacto ambiental que
producen y por el uso de grandes cantidades de combustible fósil para los
generadores.
El origen de la energía
hidráulica está en el ciclo
hidrológico de las lluvias y, por
tanto, en la evaporación solar y
la climatología, que remontan
grandes cantidades de agua a
zonas elevadas de los
continentes alimentando los
ríos. Este proceso está
originado, de manera primaria,
por la radiación solar que
recibe la Tierra.
d) Energía Mareomotriz:
La energía mareomotriz es la energía potencial o cinética que contienen los océanos. Está
energía se está desarrollando y se piensa podría ser una energía que sustituiría a los
combustibles fósiles, porque esta energía es renovable y tres cuartas partes del planeta son
océanos, así que casi todo país puede emplearla. Está energía la producen en conjunto el Sol y
la Luna, que hacen:
Las olas
Las mareas
Las corrientes marinas
e) Energía solar:
La energía solar es la
energía obtenida de
la radiación solar
transformándola en
calor o electricidad.
Los colectores
solares transfieren la
energía proveniente
de la radiación solar
al agua y la calientan.
Las celdas
fotovoltaicas que
generan su energía
eléctrica de la
radiación
electromagnética del
sol, transformándola
en energía eléctrica.
f) Energía azul:
La energía azul es la energía
obtenida por la diferencia en la
concentración de la sal entre el
agua de mar y el agua de río con
el uso de la electrodiálisis
inversa (o de la ósmosis) con
membranas de iones
específicos. El residuo en este
proceso es agua salobre.
La tecnología de la
electrodiálisis inversa se ha
probado en condiciones de
laboratorio. Como en
tecnologías comunes, el costo
de la membrana era un
obstáculo. Una membrana
nueva, barata, basada en un
plástico eléctricamente
modificado del polietileno, le ha
dado una nueva oportunidad
para su uso comercial.
• Energía no renovable:
a) Energía Nuclear
Es aquella que resulta del
aprovechamiento de la
capacidad que tienen
algunos isótopos de ciertos
elementos químicos para
experimentar reacciones
nucleares y emitir energía
en la transformación. Una
reacción nuclear consiste
en la modificación de la
composición del núcleo
atómico de un elemento,
que muta y pasa a ser otro
elemento como
consecuencia del proceso.
Este proceso se da
espontáneamente entre
algunos elementos y en
ocasiones puede
provocarse mediante
técnicas como el
bombardeo neutrónico u
otras.
Existen dos formas de aprovechar la energía
nuclear para convertirla en calor: la fisión nuclear,
en la que un núcleo atómico se subdivide en dos o
más grupos de partículas, y la fusión nuclear, en la
que al menos dos núcleos atómicos se unen para
dar lugar a otro diferente.