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Comes varias veces al día, pero ¿te has preguntado alguna vez qué tipo de energía se almacena en esos alimentos? Existen varias formas de almacenar energía, pero ¿cuáles pertenecen al mismo tipo? Por ejemplo, aunque te resulte sorprendente, el tipo de energía que se almacena en los alimentos que comes es el mismo que el que se almacena en una pila:…
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Jetzt kostenlos anmeldenComes varias veces al día, pero ¿te has preguntado alguna vez qué tipo de energía se almacena en esos alimentos? Existen varias formas de almacenar energía, pero ¿cuáles pertenecen al mismo tipo?
Pero, ¿estos diferentes tipos de energía se pueden convertir el uno en el otro? Y si es así, ¿cómo se transmite?
Bueno, basta de preguntas, ¡vamos a entender el concepto de energía en física!
Un objeto trabaja moviéndose contra una fuerza a lo largo de una determinada distancia.
La energía se utiliza en todas partes; es la capacidad de realizar un trabajo. Puede existir en diversas formas e, incluso, transferirse entre sistemas o cuerpos, como: el movimiento, la luz, el calor, etc.
Por ejemplo, cuando se quema madera, la energía química almacenada en la madera se convierte en energía térmica en forma de calor. Esto es similar a cuando obtenemos calor y luz del sol. La diferencia es que en este último caso, la energía inicial se llama energía nuclear.
Las unidades de energía son los julios y su símbolo \(\mathrm{J}\) recibe su nombre del conocido físico James Joule.
La energía de un objeto o de un sistema se agrupa en distintos almacenes energéticos, y esta puede transferirse entre distintos tipos de almacenes. Veamos los diferentes tipos de energía y algunos ejemplos:
La energía cinética es la energía asociada al movimiento de cualquier objeto; puede transferirse a otros objetos mediante colisiones. Además, la energía cinética puede transformarse en otra energía.
Por ejemplo, cuando un objeto se mueve sobre una superficie con fricción, la energía cinética se convierte en energía térmica en forma de calor, que suele considerarse energía perdida.
Cuando la energía se transforma de una forma a otra, una fracción de la energía se transforma en una forma no deseada y desordenada. Esta fracción se denomina pérdida de energía.
La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un objeto en función de su posición en un campo gravitatorio.
Por ejemplo, si ponemos una pelota en una colina, tendrá energía potencial gravitatoria. Si haces rodar la pelota hacia abajo, esta energía se liberará y se transformará en energía cinética.
La energía potencial elástica (de tensión) es la energía que tiene un objeto cuando es elástico y se estira (por ejemplo, un muelle o una cuerda). El objeto elástico volverá a su posición original cuando se deje de aplicar fuerza sobre él. Esto se debe a que el objeto ha almacenado energía potencial elástica.
Fig. 1: Los tirachinas son un ejemplo de energía potencial elástica.
La energía térmica describe la temperatura de un objeto. Esta es un tipo de energía cinética, ya que el calor de un objeto viene determinado por la velocidad a la que se mueven sus partículas.
La energía química se libera (se transfiere a otro almacén de energía) cuando se produce una reacción química.
Los alimentos que comes cada día tienen energía química almacenada, que se libera tras las reacciones químicas que se producen en tu sistema digestivo.
La energía nuclear es la energía mantenida en el núcleo por las fuerzas fuertes. Se puede liberar después de que se produzcan reacciones nucleares y se utiliza en las centrales nucleares, todos los días, para proporcionar electricidad.
La energía magnética se almacena en los imanes, haciendo que se atraigan o se repelan.
La energía electromagnética es la que transportan las ondas electromagnéticas. Por supuesto, la luz también es una onda electromagnética y, por tanto, posee esta energía.
Otros ejemplos pueden variar desde las ondas de radio utilizadas en las radios para transportar información hasta los rayos X utilizados en la física médica.
Por ahora, nos centraremos en dos tipos principales de energía: la cinética y la potencial.
Como hemos visto antes, la energía cinética es la que posee un objeto debido a su movimiento y se mide en julios (\(\mathrm{J}\)). Pero, ¿de qué más depende la energía cinética de un objeto?
Veamos la ecuación para hallar la energía cinética, para entender mejor el concepto: \[E_c=\dfrac{1}{2}m\cdot v^2,\]
Donde,
Es sencillo ver que, si el objeto está en reposo, su energía cinética será \(0\).
A diferencia de la energía cinética, la energía potencial tiene dos formas principales: gravitacional y elástica.
Como has aprendido, la energía potencial gravitatoria depende de la posición del objeto en el campo gravitatorio y de su masa. También se expresa en julios (\(\mathrm{J}\)).
Profundicemos en su ecuación, para ver qué otros factores afectan a la energía potencial gravitatoria de un objeto:
\[E_p=m\cdot g\cdot h,\]
Donde,
Otra forma de energía potencial es la energía potencial elástica, que es la que tiene un objeto cuando es elástico y se estira. Se mide en julios (\(\mathrm{J}\)).
Veamos su ecuación para entender mejor el concepto: \[E_p=\dfrac{1}{2}k\cdot \Delta x^2,\].
Donde,
La constante del muelle es un valor que mide la rigidez del muelle y depende del material utilizado en el mismo. Este valor también es igual a la fuerza necesaria para estirar el muelle durante un metro.
Veamos, ahora, cómo se transfiere y transforma la energía entre los almacenes energéticos. Esto nos ayudará a entender cómo se utilizan en nuestra vida cotidiana.
Cuando la energía se transfiere entre diferentes almacenes, hay varias formas en las que la transferencia de energía puede ocurrir:
Para comprender mejor las transferencias de energía entre diferentes almacenes hay que tener en cuenta lo que le ocurre al objeto, o lo que este hace:
Describe las transferencias de energía que se producen cuando una persona salta en el aire y vuelve a caer.
Solución
La transferencia de energía es importante, porque no se puede almacenar energía en todas las formas útiles.
Por ejemplo, la luz es una de las cosas más útiles en nuestras vidas; pero, no se puede almacenar. Por lo tanto:
El principio de conservación de la energía establece que esta no puede crearse ni destruirse.
La cantidad de energía que existía cuando se formó el universo es la misma que existe en el momento en que estás leyendo esta explicación. La energía, únicamente, se puede transferir entre los diferentes almacenes.
Por ejemplo, una pila no crea energía de la nada. Contiene energía química, que luego se transfiere al circuito para crear una corriente.
Cuando se producen transferencias de energía, no toda la energía se transforma a la forma de energía deseada. Parte de ella se transforma en otras formas de energía residuales. Esto es lo que conocemos como pérdida de energía.
Pero, como puedes ver, incluso cuando hablamos de energía perdida, no se pierde realmente: se transforma en otra forma de energía, aunque sea no deseada. Así que, podemos concluir que la energía total inicial que tiene un sistema es igual a su energía total final. Esto se expresa, matemáticamente, como se muestra a continuación.
\[ \begin{align}E_i&=E_f,\end{align} \]
Donde,
Cuando una máquina desperdicia energía al intentar realizar un trabajo, decimos que esta máquina es ineficiente. La energía desperdiciada es lo que antes llamábamos energía perdida. En la práctica, no se puede realizar un trabajo sin energía perdida, pero sí se puede reducir al mínimo deseado.
Este mismo concepto lo utilizamos para hablar de las personas, cuando no aprovechan adecuadamente los recursos que tienen. Pese a que para las personas no equivale el concepto de eficiencia que tenemos en física, nos sirve para hacernos una idea.
En física, a medida que la energía perdida se reduce, la eficiencia es mayor. Matemáticamente, es la relación entre la energía útil de salida y la energía total de entrada, y puede expresarse mediante la siguiente ecuación:
\[\mu=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\]
Para calcular la eficiencia en porcentaje, debemos multiplicar el resultado que obtenemos de la ecuación anterior por cien: \[\mu_{\%}=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\cdot 100\]
Hay que tener en cuenta que la eficiencia no puede ser igual o superior a 1 o al 100%, en la práctica; simplemente, porque siempre se pierde energía de alguna forma. Esto significa que la energía útil de salida siempre va a ser menor que la energía total de entrada.
Fig. 3: En la gran mayoría de aparatos electrónicos encontramos etiquetas que nos indican su eficiencia. commons.wikimedia.org
Un hervidor tiene \(50\,\,\mathrm{J}\) de energía y la convierte en \(38\,\,\mathrm{J}\) de energía térmica. El resto de la energía se pierde en el entorno, en forma de sonido.
Calcula el rendimiento del hervidor:
Solución
Como el objetivo del hervidor es proporcionar energía térmica, el valor dado de \(38\,\,\mathrm{J}\) es la fracción de energía que hemos denominado energía útil de salida.
Por otro lado, el hervidor se abastece con \(50\,\,\mathrm{J}\) de energía, que es lo que hemos denominado como energía total de entrada.
Sabemos que la fórmula de la eficiencia es: \[\mu=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\]
Si ponemos las variables dadas en la fórmula, podemos calcular la eficiencia del hervidor.
\[\mu=\dfrac{38}{50}=0,76\]
La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Puede existir en diversas formas e, incluso, transferirse entre sistemas o cuerpos; como el movimiento, la luz, el calor, etc.
La energía no se produce ni se elimina, sino que se transforma. Es decir, la energía ya existe y únicamente la transformamos de un tipo de energía a otro que nos interesa. Esto se conoce como principio de conservación de la energía.
El principio de conservación de la energía establece que esta no puede crearse ni destruirse; es decir, que la cantidad de energía que existía en el universo en el momento de crearse es la misma que actualmente.
En física, la eficiencia es la relación entre la energía útil de salida y la energía total de entrada. Es decir, cuando la diferencia entre la energía útil de salida y la energía total de entrada es pequeña, diremos que la máquina es eficiente, y viceversa.
No debe confundirse con la eficacia, que es un término utilizado en nuestra vida diaria para referirnos a la capacidad que tiene una persona de lograr sus objetivos, pero que en física no tiene una definición en particular. En ocasiones, te encontrarás que en física se usa eficacia en vez de eficiencia, pero se refieren al mismo concepto.
La energía se puede transmitir de diversas maneras, como, por ejemplo: mecánicamente, por calentamiento, eléctricamente y por radiación.
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