80

UNIDAD

Trabajo y energía.Termodinámica

4

n las dos últimas unidades hemos estudiado los movimientos de los cuerpos y las fuerzas

o interacciones que los originan. En ésta comenzaremos con el estudio de una nueva

magnitud física -el trabajo- que está en relación directa con la fuerza aplicada a un cuerpo

y el desplazamiento que éste realiza.

También necesitaremos conocer cómo se realiza este trabajo introduciendo otra nueva magnitud

-la potencia- que nos indica la rapidez con que se ha llevado a cabo.

Si bien podemos entender fácilmente que estas magnitudes estén relacionadas entre sí, aún nos

falta algo. Cuando un cuerpo se mueve debido a las fuerzas que actúan sobre él se realiza un trabajo

pero… ¿cuál es la causa?, ¿quién lo realiza? Tiene que ser algo que tenga capacidad para hacerlo

y este algo es la energía, otra magnitud física de gran importancia que estudiaremos en esta Unidad,

y también las formas en que un cuerpo puede disponer de ella, ya sea porque ocupa una cierta

posición desde la que interactúa con otros cuerpos o porque está en movimiento y puede chocar

con otro proporcionándole un impulso mecánico, según hemos visto en la Unidad anterior.

Veremos también que la energía total que tiene un cuerpo o sistema aislado es constante: si

aumenta la energía debida a su posición, disminuye en la misma cantidad la energía debida a su

velocidad. Esto es lo que conocemos como el principio de conservación de la energía mecánica.

Por último comprobaremos que el principio de conservación de la energía también se cumple en los

sistemas termodinámicos que intercambian energía por medio de calor y trabajo en procesos gobernados

por los principios de la termodinámica.

Los objetivos que pretendemos alcanzar en esta Unidad son los siguientes:

1. Comprender los conceptos de trabajo, potencia y energía, y sus relaciones.

2. Conocer y aplicar el principio de conservación de la energía mecánica.

3. Comprender y relacionar los conceptos de energía térmica y temperatura.

4. Definir los conceptos de capacidad calorífica y calor específico y resolver problemas en los que

se pongan de manifiesto los efectos del intercambio de calor.

5. Conocer y aplicar las leyes de los gases ideales en diferentes tipos de procesos.

6. Definir el primer principio de la termodinámica.

7. Explicar la degradación de la energía en los procesos termodinámicos.

E

81

EL TRABAJO

FUERZA

que provoca un

DESPLAZAMIENTO

ENERGÍA

causado por

aporte de

POTENCIA

lo realiza una

a una velocidad,

según la

ENERGÍA

POTENCIAL

ENERGÍA

CINÉTICA

que tienen los cuerpos

debido a

su posición su velocidad

interrelacionadas

por el

PRINCIPIO DE

CONSERVACIÓN

DE LA ENERGÍA

SISTEMAS

TERMODINÁMICOS

que intercambian

MATERIA

que también se

cumple en los

ENERGÍA

CALOR Y TRABAJO

en

PROCESOS

TERMODINÁMICOS

gobernados

por los

PRINCIPIOS DE LA

TERMODINÁMICA

por medio de

1. TRABAJO Y POTENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822. ENERGÍA MECÁNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

2.1. Energía potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

2.2. Energía cinética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.3. Conservación de la energía mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3. SISTEMAS TERMODINÁMICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924. CALOR Y TEMPERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.1. Escalas termométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5. SISTEMAS GASEOSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.1. Leyes de los gases ideales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2. Intercambio de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6. PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 987. RECURSOS ENERGÉTICOS Y DESARROLLO SOSTENIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Í N D I C E D E C O N T E N I D O S

82

1. Trabajo y potenciaTodos conocemos el significado de la palabra trabajo según se usa habitualmente y sabemos

que puede tener diferentes interpretaciones. En esta Unidad vamos a estudiar el trabajo desde

el punto de vista mecánico, es decir el trabajo que realizan las fuerzas para mover los cuerpos

y desde esta perspectiva, el trabajo se define como el producto de la fuerza por el desplazamiento

que produce. Si se aplica una fuerza sobre un cuerpo y éste realiza un desplazamiento

, decimos que se ha realizado un trabajo W cuyo valor es:

El trabajo es una magnitud escalar, dado que es el resultado del producto escalar de dos

vectores: la fuerza y el desplazamiento cuyo valor, según vimos en la primera unidad, es:

siendo α el ángulo que forman la fuerza y el desplazamiento.

La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el Julio (J) que es el trabajo que realiza

una fuerza de un Newton cuando su punto de aplicación se desplaza un metro.

En cualquier trabajo mecánico que se realiza están implicadas fuerzas que producen

movimientos, generalmente son muchas, actuando en diferentes direcciones sobre apoyos, objetos,

mecanismos, etc. Para estudiar un trabajo concreto debemos tener en cuenta exclusivamente la

fuerza o fuerzas que producen ese trabajo y no otras que, aunque estén presentes y actúen sobre

el cuerpo que se mueve, no participan en la ejecución del trabajo porque su dirección es

perpendicular al desplazamiento y por lo tanto no colaboran en éste. Además si nos fijamos en

la expresión del trabajo, para este caso, tenemos: .

Las fuerzas, o componentes de ellas, que actúan en dirección perpendicular al movimiento

sólo dan lugar a fuerzas de rozamiento cuyos efectos se disipan en forma de calor o en desgaste

de las superficies en contacto. A estas fuerzas se las conoce como fuerzas no conservativas

porque hacen que se pierda energía mecánica en el proceso, como veremos más adelante en

esta misma Unidad.

Δrs

W F s o= ⋅ ⋅ =Δ cos90 0

W F s= ⋅ ⋅Δ cosα

W F s= ⋅r r

Δ

rF

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

Fijémonos, por ejemplo, en el trabajo que realiza una grúa para elevar un objeto de masa

m a una altura h y desplazarlo horizontalmente una distancia d:

El trabajo total que realiza la grúa se puede descomponer en dos trabajos parciales

claramente diferenciados que calcularemos individualmente:

En una primera fase, la grúa eleva el objeto y para ello el cable realiza una fuerza en la

dirección del desplazamiento igual al peso que ha de levantar, por tanto el trabajo realizado

será:

En segundo lugar, la grúa desplaza el objeto horizontalmente, para ello el cable sigue

ejerciendo la misma fuerza, igual al peso, pero ahora el desplazamiento es perpendicular

a la fuerza por lo cual el trabajo será: . Vemos así que aunque el

cable ejerce una fuerza, no realiza trabajo porque no hay desplazamiento en la dirección

de la fuerza.

W mgd o= ⋅ =cos90 0

W mgh mgho= ⋅ =cos0

83

Un cuerpo de 4 Kg de masa desciende por un plano de 2 m longitud y 30º de inclinación por la

acción de su propio peso. a) Hallar el trabajo realizado por éste. b) Comprobar que el trabajo es

desarrollado por la componente tangencial del peso.

Solución:

E j e m p l o

30º

F

t

P

a) En la figura podemos observar que el ángulo que forman el

peso y el desplazamiento es de 60º, por lo tanto, el trabajo

realizado por el peso será:

b) La componente tangencial del peso vale:

W F s m g l J= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =cos cos , cos º ,α α 4 9 8 2 60 39 2

W F l Jt= ⋅ ⋅ = ⋅ =cos º , ,0 19 6 2 39 2

F m g sen sen Nt = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ =30 4 9 8 30 19 6º , º ,

o b ` r b o a^

T El trabajo lo realiza una fuerza que produce un desplazamiento.

T Es una magnitud escalar.

T Sólo realizan trabajo las fuerzas, o componentes de ellas, que actúan en la dirección del

movimiento.

T Las fuerzas en dirección perpendicular al movimiento solamente generan fuerzas de rozamiento,

cuyo efecto se disipa en forma de calor o en desgaste de las superficies en contacto.

1. Un niño arrastra un juguete tirando de él con una fuerza de 10 N por medio de una cuerda que

forma un ángulo de 30º con la dirección del suelo, ¿qué trabajo habrá realizado cuando haya

recorrido 20 metros?

2. Juan y Pedro desplazan un pesado fardo sobre una superficie horizontal, para ello, Juan tira de

él hacia arriba con una fuerza de 200 N y Pedro empuja con una fuerza de 300 N. ¿Qué trabajo

habrá realizado cada uno de ellos en un recorrido de 12 metros?

3. Si el fardo de la actividad anterior tiene una masa de 50 Kg; a) ¿Cuánto vale el coeficiente de

rozamiento entre el fardo y el suelo? b) ¿Cuánta fuerza tendría que realizar Pedro si no contara

con la ayuda de Juan?

A c t i v i d a d e s

84

Potencia

Generalmente, cuando se realiza un trabajo interesa conocer, además de su valor, el tiempo

que se ha empleado, lo que permitirá conocer la rapidez con que se ha llevado a cabo. Esta

rapidez o velocidad con la que se realiza el trabajo es lo que conocemos como potencia y su valor

es el cociente entre el trabajo realizado y el tiempo empleado; es decir:

Así podemos definir la potencia como el trabajo realizado por unidad de tiempo.

La potencia es una magnitud escalar ya que es el cociente entre dos magnitudes también

escalares.

La unidad de potencia en el sistema internacional es el Vatio (W) que es la potencia necesaria

para realizar un trabajo de un Julio en un segundo. Otra unidad de potencia muy utilizada

industrialmente es el caballo de vapor (CV) que equivale a 735 vatios.

Partiendo de la expresión por la que se define la potencia podemos encontrar otra que la

relaciona con la fuerza aplicada y la velocidad del movimiento que genera:

Lo que nos dice que la potencia es igual al producto de la fuerza aplicada por la velocidad del

movimiento que produce. Debemos tener en cuenta que esta fórmula sólo es aplicable cuando

la fuerza y la velocidad son constantes; si bien, puede generalizarse al caso de que fueran variables,

pero esto nos llevaría a un nivel más elevado del que aquí tratamos.

P Wt

= ΔΔ

P Wt

F st

F v= = = ⋅ΔΔ

ΔΔ

r r r r

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

Un motor tiene una potencia de 4 CV. ¿Cuál es su potencia en vatios? ¿Qué trabajo realiza en

dos horas y media expresado en julios y en kilovatios hora?

Solución:

2 6 10 2 6 10 2 6 10

1

1000

1

3600

7 22

7 7 7

, , , ,⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =J W s W s KWW

hs

KWh

W P t h sh

J= ⋅ = ⋅ = ⋅Δ 2940 2 5

3600

, 2,6 10

7

P CV WCV

W= ⋅ =4 735 2940

E j e m p l o

85

2. Energía mecánicaSe define la energía como la capacidad de producir trabajo. Esta capacidad puede presentarse

de muchas formas; todos conocemos varias clases de energía: química, térmica, eléctrica, nuclear...

y, como no, mecánica que es la que nos interesa en esta Unidad.

Un cuerpo puede tener energía mecánica de dos formas diferentes:

• Energía potencial que es debida a la posición que ocupa en el espacio.

• Energía cinética, debida a la velocidad de su movimiento.

La energía es una magnitud escalar y la unidad en que se mide, en cualquiera de sus formas,

dado que es la capacidad de producir un trabajo, es también el Julio.

2.1. Energía potencialPodemos encontrar infinidad de casos en los que un cuerpo posee energía debido a la posición

que ocupa. Por ejemplo, un cuerpo situado a una cierta distancia de otro está sometido a una fuerza

de atracción, un resorte comprimido o estirado está sometido a una fuerza, dos cargas eléctricas se

atraen o se repelen, un trozo de hierro cercano a un imán es atraído por él, etc. En cualquier caso,

un cuerpo sometido a una fuerza tiende a desplazarse por la acción de ésta y hemos visto que una

fuerza que se desplaza produce un trabajo que pone de manifiesto la existencia de la energía que lo

ha producido.

o b ` r b o a^

T La potencia indica la rapidez con que se realiza el trabajo.

T Es una magnitud escalar.

T Su valor es el cociente entre el trabajo realizado y el tiempo empleado y también el producto

de la fuerza aplicada por la velocidad con que se realiza el desplazamiento.

T La unidad de potencia es el vatio (W) aunque frecuentemente se utiliza el Caballo de Vapor

(CV) que equivale a 735 W.

4. Un montacargas levanta hasta una altura de 12 metros un cuerpo de 100 Kg de masa en 9

segundos. Calcula la potencia que desarrolla en vatios y en caballos de vapor.

5. Una grúa remolca a un automóvil sujeto por un cable que forma un ángulo de 45º con el suelo

a una velocidad de 36 Km/h. Si la tensión del cable es 3000 N, ¿qué potencia desarrolla?

A c t i v i d a d e s

86

Energía potencial gravitatoria

Todos los cuerpos por el hecho de existir, de tener una masa, poseen energía potencial ya

que interactúan con otros cuerpos ejerciéndose fuerzas de atracción mutua, siempre presentes,

según hemos visto en la Unidad anterior al estudiar la Ley de la Gravitación Universal.

El cálculo de la energía potencial gravitatoria que tiene un cuerpo siempre es relativo a otro

que ejerce una fuerza de atracción sobre él. En este apartado, nos centraremos en el caso más

habitual que es el de cuerpos que se encuentran próximos a la Tierra y están sometidos a la fuerza

de la gravedad, que a distancias pequeñas de la superficie podemos considerar constante y de

valor conocido ya que es el peso del cuerpo. En este caso, el valor de la energía potencial, con

respecto a la superficie de la Tierra es

Imaginemos un cuerpo de masa m, situado a una altura h0 que cae hasta una altura h. La

fuerza a la que está sometido es su peso y el trabajo realizado será igual al producto

de la fuerza por el desplazamiento, ya que tienen la misma dirección:

Vemos que el trabajo realizado es igual a la variación de energía potencial que ha sufrido el

cuerpo. El signo menos se debe a que la energía potencial del cuerpo ha disminuido.

En este ejemplo hemos considerado la superficie de la Tierra como origen de alturas, pero

podemos considerar cualquier otro punto como origen ya que lo que va a interesar normalmente

es la variación de energía potencial que es la que produce el trabajo. Generalmente conviene

situar el origen de alturas en el punto más bajo del movimiento que se realiza, ya que así la energía

potencial que tiene el cuerpo al final es nula.

E m g hp = ⋅ ⋅

W P h h m g h h m g h m g h E E Ep p p= ⋅ −( ) = ⋅ −( ) = ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ = − = −0 0 0 0

Δ

P m g= ⋅

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

Una pelota de 100 gramos de masa está suspendida entre las cuerdas de un tendedero en la

terraza de un tercer piso a 9 metros de altura. En un momento determinado, se desprende, cae y

vuelve a trabarse entre las cuerdas del primer piso a 3 metros de altura.

Hallar:

a) El valor de la energía potencial en las dos posiciones si tomamos el suelo como origen.

b) Lo mismo, tomando como origen la posición inicial de la pelota.

c) La variación de energía potencial que ha habido en los dos apartados anteriores.

Solución:

a)

E m g h Jp2 2

0 1 9 8 3 2 94= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ =, , ,

E m g h Jp1 1

0 1 9 8 9 8 82= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ =, , ,

E j e m p l o

87

Energía potencial elástica

En la unidad anterior estudiamos la ley de Hooke que nos dice que cuando un cuerpo elástico

se deforma está sometido a una fuerza que es proporcional a la elongación o deformación que

ha sufrido, esto es: (recordemos que el signo menos se debe a que la fuerza es de

sentido contrario a la elongación).

Si representamos la fuerza aplicada a un resorte en

función de la elongación obtenemos una gráfica como la

de la figura en la que la superficie bajo la gráfica, en el

intervalo considerado, representa el trabajo realizado por

la fuerza. El valor de la superficie, en este caso un trapecio,

es: ,

realizando operaciones:

Este trabajo se ha realizado a consecuencia de la variación de la energía potencial elástica

almacenada en el resorte. Expresado matemáticamente:

de donde se deduce que: W E Ep p= −0

E k xp = ⋅1

2

2

F K x= − ⋅ Δ

W kx kx x x k x x x x k x x= + − = + − = −1

2

1

2

1

2

0 0 0 0

2

0

2

( )( ) ( )( ) ( )

W kx kx= −1

2

1

2

2

0

2

b)

c) En el primer caso:

En el segundo caso:

Podemos observar que la variación de energía es la misma en los dos casos, como era de

esperar, ya que no depende del origen que tomemos dado que éste se puede elegir arbi-

trariamente. También observamos que el resultado es negativo debido a que la pelota pier-

de energía potencial al caer.

ΔE E E Jp p p= − = − − = −2 1

5 88 0 5 88, ,

ΔE E E Jp p p= − = − = −2 1

2 94 8 82 5 88, , ,

E m g h Jp2 2

0 1 9 8 6 5 88= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ −( ) = −, , ,

E m g hp1 1

0 1 9 8 0 0= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ =, ,

x Elongación

Fuerza

k·x

x

0

k·x

0

6. Un ciclista que tiene una masa de 60 kg, y su bicicleta de 10 Kg, sube una pendiente de 10º de

inclinación y 1 km de longitud en un tiempo de 4 minutos. Suponiendo que no existe rozamiento:

a) ¿qué trabajo ha realizado?, b) ¿cuánta potencia desarrolla?, c) ¿qué tanto por ciento de su

trabajo se ha empleado en subir la bicicleta?

A c t i v i d a d e s

88

2.2. Energía cinéticaComo hemos dicho anteriormente, la energía cinética es la que tiene un cuerpo en virtud

de su movimiento.

Sabemos que si se aplica una fuerza constante a un cuerpo, éste se mueve con un movimiento

rectilíneo uniformemente acelerado y, por tanto, se realiza un trabajo cuyo valor es:

Como se vio en la Unidad 2

de donde

sustituyendo

que podemos expresar así :

Esta es la expresión matemática del Teorema de las fuerzas vivas: El trabajo que se realiza

sobre un cuerpo al aplicarle una fuerza se invierte en variar su energía cinética.

Según esta definición: de lo que se deduce que el valor de la energía cinética de

un cuerpo de masa m que se mueve a una velocidad v es:

2.3. Conservación de la energía mecánicaEn un sistema aislado, la energía mecánica total permanece constante. Es decir, la suma

de las energías potencial y cinética es siempre la misma: si aumenta la energía cinética disminuye

la energía potencial y viceversa.

W mv v

=−2

0

2

2

a sv v

⋅ =−

Δ2

0

2

2

v v a s2

0

2

2= + ⋅ Δ

W F s m a s= ⋅ = ⋅ ⋅Δ Δ

W E Ec c= −0

W m v m v= ⋅ − ⋅1

2

1

2

2

0

2

E m vc = ⋅1

2

2

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

7. Si aplicamos una fuerza de 80 N para estirar un resorte cuya constante elástica es k =2000 N/m,

¿qué cantidad de energía se habrá acumulado en éste?

A c t i v i d a d e s

8. Un granizo de 0,5 gramos de masa, llega al suelo con una velocidad de 50 m/s. Suponiendo que

su formación fuera instantánea y que no existe rozamiento con el aire. Calcular: a) La altura a

la que se formó, b) la energía potencial que tendría a esa altura con respecto al suelo.

A c t i v i d a d e s

89

Es necesario que el sistema sea aislado para que no haya intercambio de energía con otros

sistemas y también hemos de suponer que no existe rozamiento ya que parte de la energía

mecánica se transformaría en calor.

En el apartado anterior hemos visto que cuando se produce una pérdida de energía potencial

se produce un trabajo cuyo valor es . También hemos visto que el trabajo realizado por

la energía cinética es igualando ambas expresiones tenemos que podemos

escribir así y agrupando términos lo que nos dice que la

suma de las energías potencial y cinética iniciales es igual a la suma de las energías potencial y

cinética finales.

Si sustituímos cada término por su valor, obtenemos:

m g h m v m g h m v⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅0 0

2 2

1

2

1

2

W Ec= Δ − =Δ ΔE Ep c

W Ep= −Δ

E E E Ep c p c0 0

+ = +E E E Ep p c c0 0

− = −

Un objeto de 3 Kg de masa se desliza sin rozamiento sobre una superficie horizontal a una

velocidad de 2 ms-1y comienza a subir una rampa según se muestra en la figura:

a) ¿Hasta qué altura llegará?

b) ¿Qué velocidad tendrá cuando haya alcanzado una altura

de 10 centímetros?

Solución:

a) Aplicando el principio de conservación de la energía mecánica:

Teniendo en cuenta que la altura inicial es cero, la energía potencial inicial será nula y que al

llegar a la altura máxima la velocidad será igual a cero por lo que la energía cinética final también

será nula: ; despejando:

b) Volviendo a aplicar el principio de conservación, en las condiciones actuales, tendremos:

�

v v gh m s= − = − ⋅ ⋅ = ⋅ −0

2 1

2 4 2 9 8 0 1 1 43, , ,

v v gh2

0

2

2= −1

2

1

2

0

2 2m v m g h m v⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅

hvg

= = =0

2

2

4

19 6

0 20

,

, m

1

2

0

2m v m g h⋅ = ⋅ ⋅

m g h m v m g h m v⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅0 0

2 2

1

2

1

2

E j e m p l o

3 Kg

V0 = 2 ms -1

h

90

Aplicación de los principios de conservación a los choques entre cuerpos

Cuando dos o más cuerpos chocan entre sí se alteran sus velocidades de modo que siempre

se conserva la cantidad de movimiento total de los cuerpos que chocan.

Los choques pueden ser de dos tipos:

• Elástico cuando se conserva la energía mecánica.

• Inelástico cuando no se conserva la energía mecánica porque parte de ésta se invierte

en producir calor y deformaciones de los cuerpos que chocan.

Choques elásticos

Según lo anterior para resolver un choque elástico tendremos que aplicar las leyes de

conservación de la energía mecánica y de conservación de la cantidad de movimiento.

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

o b ` r b o a^

T La energía es la capacidad de realizar trabajo.

T Es una magnitud escalar.

T Su unidad es el julio, igual que la del trabajo.

T La energía mecánica que tiene un cuerpo puede ser potencial (debida a su posición) o cinética (debida

a su velocidad).

T La energía mecánica total de un sistema aislado se conserva, lo que equivale a decir que la suma de

su energía cinética y potencial permanece constante. Esto implica que si aumenta la energía cinética

disminuye la energía potencial y viceversa.

9. Un niño, cuya masa es de 20 Kg, se desliza por un tobogán de 3 metros de altura y 30º de

inclinación y llega al final con una velocidad de 4 m/s. Calcular: a) La energía perdida por

rozamiento. b) El coeficiente de rozamiento entre el niño y el tobogán.

10. Si lanzamos verticalmente hacia arriba un cuerpo de masa m con una velocidad inicial v0, ¿qué

altura máxima alcanzará? ¿a qué altura coincidirán los valores de sus energías cinética y potencial?

11. Un futbolista tira a puerta con un balón de 200 g de masa que sale de la punta de su bota a

una velocidad de 15 m/s. El tiro sale alto y el balón va a parar a los graderíos a una altura de 8

metros, suponiendo que no existe rozamiento, ¿con qué velocidad chocará ?

A c t i v i d a d e s

91

Supongamos dos cuerpos de masas m1 y m2, respectivamente, que se encuentran a la misma

altura -por lo que no habrá variación de energía potencial- y chocan entre sí con velocidades

respectivas y saliendo del choque con velocidades y respectivamente.

Las ecuaciones que habremos de plantear serán las siguientes:

Conservación de la energía cinética:

Conservación de la cantidad de movimiento:

Si nos fijamos en estas ecuaciones podemos observar que en la primera de ellas se prescinde

de la notación vectorial en la velocidad ya que sólo nos interesa el módulo de ésta por ser la

energía una magnitud escalar. Sin embargo, en la segunda se mantiene ya que la cantidad de

movimiento es una magnitud vectorial, aunque podremos prescindir de ésta cuando todos los

movimientos de los cuerpos implicados se realicen en una sola dirección.

Choques inelásticos

En este tipo de choques no se conserva la energía mecánica por lo que habrá de tenerse en

cuenta esta pérdida a la hora de plantear la ecuación correspondiente; sin embargo, según se ha

dicho anteriormente, la cantidad de movimiento se conserva siempre.

m v m v m v m v1 1 2 2 1 1 2 2

⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅r r r r

' '

1

2

1

2

1

2

1

2

1 1

2

2 2

2

1 1

2

2 2

2m v m v m v m v⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅' '

rv '

1

rv '

2

rv

1

rv

2

Un cochecito de choque (a) de 100 Kg de masa que se mueve a una velocidad de 4 m·s-1alcanza

a otro (b) de 90 Kg que se mueve a 2 m·s-1en la misma dirección y sentido. Después del choque el coche

a continúa moviéndose en el mismo sentido con una velocidad de 3 m·s-1. Hallar: a) La velocidad del

coche b después del choque. b) La energía perdida.

Solución:

a) Aplicamos el principio de conservación de la cantidad de movimiento:

Cantidad de movimiento antes del choque = Cantidad de movimiento después del choque

E j e m p l o

12. Una bola de masa m1 = 200 g está situada junto a un plano inclinado 30º; otra de masa m2 =

100 g choca elásticamente contra ella haciendo que la primera suba a una altura de 50 cm.

Hallar: a) La velocidad que tendrá la segunda bola inmediatamente después del choque, b)

¿subirá por el plano inclinado? En caso afirmativo, ¿qué altura alcanzará?

A c t i v i d a d e s

92

3. Sistemas termodinámicosUn sistema termodinámico es cualquier región del Universo que pueda ser aislada, de modo

real o imaginario, y se relaciona con su entorno mediante el intercambio de materia y energía.

Según el modo en que se produzca este intercambio de materia y energía, los sistemas

termodinámicos pueden ser:

Abiertos: Pueden intercambiar con el entorno materia y energía, ya sea ésta mecánica

o calorífica. Por ejemplo, un vaso lleno de agua ya que puede intercambiar

materia por evaporación y energía por calentamiento.

Cerrados: Pueden intercambiar energía pero no materia. Si cerramos herméticamente el

vaso del ejemplo anterior, se convertiría en un sistema cerrado ya que no puede

intercambiar materia, pero sí puede calentarse o enfriarse.

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

b) Energía cinética antes:

Energía cinética después:

Energía cinética perdida: ΔE E E Jc c c= − = − =1 2

980 885 24 94 76, ,

E m v m v Jc a a b b2 2

2

2

2 2 2

1

2

1

2

1

2

100 3

1

2

90 3 11 885 24= + = ⋅ + ⋅ =, ,

E m v m v Jc a a b b1 1

2

1

2 2 2

1

2

1

2

1

2

100 4

1

2

90 2 980= + = ⋅ + ⋅ =

v msb2

1

100 4 90 2 100 3

90

3 11= ⋅ + ⋅ − ⋅ = −,

100 4 90 2 100 3 90

2

⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅v b

m v m v m v m va a b b a a b b1 1 2 2

+ = +

13. Un disco de 40 g de masa se mueve sobre una superficie horizontal sin rozamiento y choca cen-

tralmente a una velocidad de 10 ms-1contra otro de la misma masa que está parado. Hallar la

velocidad de ambos después del choque en los siguientes casos: a) El choque es elástico. b) Si

estuviesen imantados y permanecieran unidos después del choque, ¿cuál sería su velocidad?

c) ¿Se ha perdido energía en el segundo caso?

A c t i v i d a d e s

93

Adiabáticos: Sólo pueden intercambiar energía en forma de trabajo. Un ejemplo típico es

un recipiente cilíndrico de paredes aislantes con un émbolo que pueda

desplazarse para comprimir o descomprimir un gas.

Aislados: No pueden intercambiar ni materia ni energía. Un ejemplo puede ser cualquier

recipiente que tenga paredes rígidas y aislantes como una nevera o un termo.

Para conocer el estado de un sistema se utilizan las variables termodinámicas que son las

magnitudes físicas relacionadas con éste, como pueden ser la presión, el volumen, la temperatura,

el número de moléculas, etc.

Existen variables como la presión, la temperatura, la densidad, etc. que no dependen de la

cantidad de materia presente en el sistema. Éstas son variables intensivas. Por el contrario, las

que sí dependen de la cantidad de materia como el volumen o la masa se denominan variables

extensivas.

Cuando las variables termodinámicas no varían, decimos que el sistema se encuentra en

equilibrio termodinámico. A las variables que permiten conocer el estado de un sistema en

equilibrio se las denomina funciones de estado y el valor de éstas depende exclusivamente

de los estados inicial y final del sistema y no de los pasos intermedios.

4. Calor y temperaturaCuando calentamos un cuerpo le suministramos energía que se emplea en aumentar la

cantidad de movimiento de las partículas que lo forman y por lo tanto, en aumentar la energía

cinética de éstas. Este aumento de la energía cinética de las partículas se manifiesta por un

aumento de la temperatura, de modo que podemos decir que la temperatura de un cuerpo es la

medida de la energía cinética media de las partículas que lo forman.

Si ponemos en contacto dos cuerpos que están a diferente temperatura, observamos que

al cabo de un tiempo aumenta la temperatura del que está más frío y disminuye la del que está

más caliente hasta que las temperaturas de ambos se igualan llegando al estado de equilibriotérmico.

En el proceso anterior, el cuerpo más caliente cede calor al más frío; le ha proporcionado

energía térmica haciendo que aumente su temperatura, por ello el calor es el medio de transmitir

energía térmica de un cuerpo a otro. Podemos decir que el calor es una energía en tránsito.

El calor se expresa en unidades de energía, es decir, en julios, aunque frecuentemente se

expresa en calorías. Una caloría es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de

agua para que su temperatura aumente desde 14,5 ºC hasta 15,5 ºC. La equivalencia entre el

julio y la caloría es: 1 julio = 0,24 calorías, expresión que se conoce como equivalente mecánicodel calor.

94

4.1. Escalas termométricasPara medir la temperatura se utiliza el termómetro. Su funcionamiento se basa en la variación

que experimenta alguna magnitud física con la temperatura, como el volumen, la resistencia

eléctrica, la presión de un gas encerrado en un recipiente, etc. El termómetro más común es el

de mercurio que consta de una bolita llena de este metal líquido que al dilatarse por efecto de la

temperatura sube por un tubo muy fino con una escala graduada sobre la que se puede leer

directamente la temperatura a la que se encuentra.

Existen varias escalas termométricas diferentes para medir la temperatura. Las más utilizadas

habitualmente son la Celsius o Centígrada, la Fahrenheit y la Kelvin. Las dos primeras utilizan

como puntos de referencia o puntos fijos la temperatura de fusión del hielo y la de ebullición del

agua a la presión de una atmósfera. En la escala Celsius los puntos fijos son 0º C y 100 ºC,

respectivamente, mientras que en la Fahrenheit estos puntos son 32º F y 212º.

La escala Kelvin se fundamenta en la energía intercambiada en forma de calor y no depende

de la naturaleza de los cuerpos que se pongan en contacto por lo que no tiene como referencia

los puntos de congelación y de ebullición del agua. El cero de esta escala coincide con la menor

temperatura que puede existir en la naturaleza (cero absoluto). A esta temperatura, la movilidad

de las partículas es nula por lo que no tienen energía cinética y un cuerpo que lograra alcanzarla

no podría ceder calor a ningún otro.

Capacidad calorífica

Si ponemos al sol, o junto a una fuente de calor, un objeto de hierro y otro de madera de

dimensiones parecidas, podemos comprobar que al cabo de cierto tiempo, el hierro ha alcanzado

una temperatura más alta que la madera y sin embargo los dos han recibido aproximadamente

la misma cantidad de calor. Esto es debido a que la madera necesita más aporte de calor para

elevar su temperatura o, dicho de otro modo, tiene más capacidad calorífica que el hierro. La

capacidad calorífica de un cuerpo se define como la cantidad de calor necesaria para que su

temperatura aumente un grado. Esto se expresa como C Qt

=Δ

Escala UnidadTemperatura defusión del hielo

Temperatura deebullición del agua

Celsius Grado Celsius (ºC) 0 ºC 100 ºC

Fahrenheit Grado Fahrenheit (ºF) 32 ºF 212 ºC

Kelvin Kelvin (K) 273,15 K 373,15 K

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

14. En un lugar determinado, un termómetro marca 25 ºC. ¿Cuánto marcarán un termómetro

Fahrenheit y un termómetro Kelvin, respectivamente?

A c t i v i d a d e s

95

El calor específico (ce) de una sustancia se define como la capacidad calorífica de la unidad

de masa. De un modo más intuitivo se puede definir como la cantidad de calor necesaria para

aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de esa sustancia.

Según esta definición, . Despejando: o bien:

Esta expresión relaciona el calor recibido o cedido por un cuerpo con el incremento de

temperatura que se produce en él.

El calor específico de un gas depende de las condiciones del sistema donde se encuentre.

Si se mide el calor específico a volumen constante se obtiene un valor cv y si se mide a presión

constante se obtiene otro valor cp. Según esto, habrá que elegir uno u otro dependiendo de cual

de las dos variables (volumen o presión) permanezca invariable en el sistema.

La sustancia que tiene el calor específico más alto es el agua, cuyo valor es:

( ). Vemos que este valor no está expresado en unidades del SI. Podemos

encontrar el calor específico expresado en diferentes unidades, según las que se hayan utilizado

para expresar el calor, la masa y la temperatura de las cuales depende. En función de unidades

básicas del SI, el calor específico se puede expresar como: o bien

Según acabamos de ver, cuando un cuerpo recibe energía en forma de calor, aumenta su

temperatura de forma proporcional. Asimismo, si entrega energía, disminuye su temperatura. Esto

es así excepto cuando se produce un cambio de estado como la fusión o la vaporización; al

comenzar el proceso, la energía recibida se invierte en el cambio de estado por lo que la temperatura

se mantiene constante hasta que éste finalice. Análogamente, si el cambio de estado es exotérmico,

el cuerpo cede energía al medio sin que baje su temperatura mientras dure el proceso.

El calor que absorbe o cede una unidad de masa de una sustancia determinada durante un

cambio de estado se denomina calor latente de cambio de estado (L).

Su valor es y el calor absorbido o cedido en el proceso:

Q m c t te f i= ⋅ ⋅ −( )

c Cm

c Qm te e= ⇒ =

⋅ ΔQ m c te= ⋅ ⋅ Δ

J Kg K⋅ ⋅− −1 1J mol K⋅ ⋅− −1 1

c cal g Ce = ⋅ ⋅− −1

1 1

º

L Qm

= Q m L= ⋅

o b ` r b o a^

T La temperatura de un cuerpo es la medida de energía cinética media de sus partículas.

T Cuando dos cuerpos están a la misma temperatura están en equilibrio térmico.

T La capacidad calorífica de un cuerpo es la cantidad de calor necesaria para que su temperatura

aumente un grado.

T El calor específico es la capacidad calorífica de una unidad de masa.

T Los gases tienen dos calores específicos, uno cuando el volumen es constante (cv) y otro

cuando la presión es constante (cp).

T El calor latente de cambio de estado es el calor necesario para que una unidad de masa

cambie de estado.

96

5. Sistemas gaseososEl conocimiento de las variables termodinámicas de los gases es de gran importancia debido

a la enorme cantidad de aplicaciones técnicas fundamentadas en ciclos termodinámicos en los

que un gas es el vehículo transmisor de energía, ya sea en forma de calor o de trabajo. Entre las

innumerables aplicaciones podemos citar la máquina de vapor, el motor de explosión, las máquinas

frigoríficas, la bomba de calor, los compresores, las bombas de vacío, etc.

El estudio del comportamiento real de los gases es muy complejo ya que las interacciones

entre sus moléculas, en estado de agitación permanente, requieren el uso de muchas variables.

Para evitar este problema se establece un modelo sencillo (el gas ideal) en el cual se minimiza el

número de variables. Esto impone unas limitaciones: la masa de las partículas gaseosas es

despreciable y están suficientemente alejadas unas de otras para que las interacciones gravitatorias

o electromagnéticas sean despreciables. A esta situación se acercan bastante los gases

monoatómicos cuando están a baja presión ya que la masa de sus partículas (átomos) es muy

pequeña y están muy alejadas unas de otras ya que hay pocas por unidad de volumen.

5.1. Leyes de los gases ideales

El avance más significativo para el conocimiento del comportamiento de los gases lo

protagonizaron Robert Boyle y Edme Mariotte, en el siglo XVII, al comprobar de modo experimental

que dentro de un recipiente en que se mantenía un gas a baja presión se cumple que el producto

de la presión por el volumen es proporcional a la temperatura a la que se encuentra, es decir:

PV = kT

El valor de esta constante fue descubierto posteriormente al aplicar esta ecuación a la situación

particular del volumen de un mol (22,4 litros) de una sustancia gaseosa en condiciones normales

(a la presión de 1 atmósfera y 0 ºC de temperatura). Esta constante, que pasó a representarse

por la letra R, resultó tener un valor de 0,082 atm · l ·mol -1 ·K-1.

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

15. Un trozo de cobre de 200 g de masa está a una temperatura de 20 ºC. ¿Qué cantidad de energía

sería necesario aportar para elevar su temperatura hasta 60 ºC? Expresar el resultado en julios

y en calorías.

Dato.- Calor específico del cobre:

16. En un vaso que contiene 100 cm3de agua a 28 ºC se echan dos cubitos de hielo de 15 g cada

uno a una temperatura de 0 ºC. Suponiendo que no hay intercambio de calor con el medio

ambiente, ¿cuál será la temperatura final del agua cuando termine de fundirse el hielo?

Dato.- Calor latente de fusión del hielo: L= 80 cal / g

c J Kg Ke = ⋅ ⋅− −390

1 1

A c t i v i d a d e s

97

Si en lugar de un mol de gas tenemos otra cantidad expresada en moles (n moles), la expresión

anterior se convierte en PV = nRT

Esta ecuación relaciona las variables de estado de un gas ideal (ecuación de estado) y se

conoce como ecuación de Clapeyron.

Si en la ecuación PV = kT, pasamos T al primer miembro, obtenemos lo que nos dice

que el producto de la presión por el volumen, dividido por la temperatura tiene un valor constante,

independientemente del estado en que se encuentre el sistema. Matemáticamente lo expresamos

así:

Esta ecuación es tan general que puede aplicarse a procesos isotermos (temperatura

constante), isóbaros (presión constante) e isócoros (volumen constante).

Proceso isotermo: La temperatura es constante; T1 y T2 son iguales. La expresión anterior

se convierte en P1V1 = P2V2. Expresión conocida como ley de Boyle-Mariotte. Este tipo de procesos

tiene lugar en sistemas aislados térmicamente, es decir, no hay intercambio de calor con el entorno.

Proceso isóbaro: La presión es constante, por lo tanto: . Expresión que se conoce

como ley de Gay-Lussac. Este tipo de procesos se dan cuando la presión es constante, por lo

tanto las paredes del sistema deben ser flexibles, ya que deben adaptarse para que la presión no

suba ni baje en el interior del sistema.

Proceso isócoro: El volumen es constante: . Es también la ley de Gay-Lussac

aplicada a este tipo de procesos; en éstos, las paredes del sistema han ser rígidas, ya que una

variación en ellas alteraría el volumen.

5.2. Intercambio de energíaLos sistemas termodinámicos intercambian materia y energía con el entorno (u otros sistemas),

el intercambio de energía puede realizarse por medio del calor según hemos visto o por medio del

trabajo. La realización de un trabajo, requiere un desplazamiento, por lo que, por regla general, hay

una variación en el volumen del sistema.

PVT

k=

PVT

P VT

1 1

1

2 2

2

=

PT

PT

1

1

2

2

=

VT

VT

1

1

2

2

=

17. Un depósito hermético e indeformable contiene 50 litros de gas a una temperatura de 10 ºC y una

presión de 2 atm. a) ¿Cuántos moles contiene? b) ¿Cuál sería la presión si se aumenta la

temperatura hasta 30 ºC?

18. Introducimos 18 litros de aire a 10 ºC de temperatura en una bolsa de plástico cuya capacidad

cuando está llena es de 20 litros. ¿A qué temperatura tendríamos que calentar el aire del interior

de la bolsa para que ésta se llene completamente?

A c t i v i d a d e s

98

Supongamos un gas encerrado en un cilindro en el que una de las bases está constituida por

un émbolo que puede desplazarse; si aumentamos la temperatura, el volumen del gas aumentará

y, por tanto, la presión. En estas condiciones, la superficie del émbolo estará sometida a una fuerza

F = P·s, que causará un desplazamiento Δl.Si el punto de aplicación de una fuerza se desplaza realiza un trabajo que, en este caso, será:

W = F ·Δl = P ·s ·Δl. El producto s ·Δl es el volumen de un cilindro cuya altura es Δl, es decir ΔV.

Por tanto: W = P ·ΔV El trabajo realizado por la expansión del gas sobre el entorno es positivo, ya que el sistema

ha recibido energía en forma de calor y la ha entregado en forma de trabajo. Si hubiéramos ejercido

una fuerza sobre el émbolo para comprimir el gas, habríamos realizado un trabajo a favor del

sistema ya que éste absorbe energía, por tanto el trabajo realizado por el sistema sería negativo

y se manifestaría en forma de calor aumentando la temperatura del gas.

6. Principios de la termodinámicaLa termodinámica, como rama de la física, alcanzó su madurez en el siglo XIX aportando

definiciones coherentes de magnitudes como el calor y la temperatura conectándolas con las

de trabajo y energía que entonces se estudiaban aisladamente desde una perspectiva mecánica.

Principio cero. Equilibrio térmico

Si dos sistemas distintos están en equilibrio térmico con un tercero, también están en equilibrio

entre sí.

Esta definición parece evidente, pero, según hemos visto anteriormente, dos cuerpos están

en equilibrio térmico cuando tienen la misma temperatura. No obstante, para medir la temperatura

es necesario un termómetro que, en este caso, sería el tercer cuerpo. Precisamente este principio

sirve de base para el establecimiento de las escalas termométricas.

Primer principio. Energía interna

La cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía

transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna

del sistema.

En muchos procesos el valor del trabajo realizado por el sistema no coincide con la cantidad de

calor recibida o viceversa. Esto es debido a que parte de la energía se invierte en aumentar o disminuir

la energía interna del sistema que es la energía total que tienen sus partículas. Matemáticamente

se expresa: ΔU = Q --W donde ΔU es la variación de la energía interna del sistema, Q el calor recibido

y W el trabajo realizado.

La energía interna del sistema es función de estado ya que sólo depende de los estados inicial

y final del sistema.

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

19. Tenemos 5 litros de gas encerrado en un recipiente a una presión de 20 N/cm2

. Si se mantiene

constante la presión, y el sistema evoluciona hasta reducir su volumen a la mitad, ¿cuál es el valor

del trabajo realizado por el sistema?

A c t i v i d a d e s

99

En cualquier proceso la diferencia de energía que se intercambia en forma de calor o de

trabajo es igual a la variación de energía interna del sistema. Es equivalente a decir que la energía

total permanece constante.

Toda máquina necesita recibir una cantidad de energía para realizar un trabajo. Muchas veces,

a lo largo de la historia, se ha intentado construir una máquina que realice trabajo sin consumir

energía, aunque nunca se logrará ya que estaría en contradicción con el primer principio de la

termodinámica. Esta máquina imaginaria se denomina “móvil perpetuo de primera especie”.

El primer principio de la termodinámica se enuncia con frecuencia como la imposibilidad de

la existencia de un móvil perpetuo de primera especie.

Segundo principio. Entropía

Si un sistema intercambia calor con dos focos caloríficos, sólo podrá producir trabajo si toma

calor del foco más caliente y lo cede al foco más frío.

Según este enunciado, no es posible construir un móvil perpetuo de segunda especie. Un

móvil de este tipo permitiría realizar trabajo a expensas del calor que la naturaleza nos ofrece

gratuitamente. Así para realizar un trabajo a expensas del calor es necesaria la existencia de dos

focos a diferente temperatura.

En una máquina térmica se llama rendimiento a la relación entre el trabajo realizado y el calor

absorbido, es decir: . Este valor es siempre menor que la unidad.

La relación entre el calor tomado (o cedido) y la temperatura a la que se toma (o se cede) es

una función de estado que llamamos entropía (ΔS). Matemáticamente se expresa como:

La entropía da la medida del desorden de un sistema. Por ejemplo cuando un gas

se expande aumenta su desorden, cuando un foco caliente cede calor al entorno y se enfría,

también aumenta el desorden. En estos casos aumenta la entropía y decimos que se produce

una degradación termodinámica del sistema. En todos los procesos naturales irreversibles (que

son la mayoría) se produce un aumento de entropía; en consecuencia, la entropía del Universo

está en constante aumento.

Tercer principio. Inaccesibilidad del cero absoluto

El cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito

de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él.

Sabemos que para que la temperatura de un cuerpo disminuya tiene que ceder calor a

otro más frío que, a su vez, aumenta su temperatura. Así pues si un cuerpo a temperatura muy

cercana al cero absoluto se pone en contacto con otro que estuviera a esta temperatura

(teóricamente) no llegaría tampoco a alcanzarla porque el equilibrio se produciría a una temperatura

intermedia, siempre superior al cero absoluto.

7. Recursos energéticos y desarrollosostenible

La utilización de la energía para producir trabajo mecánico ha sido una constante en el progreso

humano, en permanente evolución desde el aprovechamiento de la fuerza animal, de la energía

del viento, de las corrientes de agua, del carbón, del petróleo, etc.

η = WQ

Δ ΔS QT

=

100

Llamamos recursos energéticos al conjunto de medios que permiten a la sociedad cubrir

sus necesidades de energía.

En la actualidad se dispone de un número limitado de fuentes de energía, cada una con sus

propias características de procedencia, disponibilidad, utilización y repercusiones en el medio

ambiente.

Según su procedencia se clasifican en:

Energías primarias que provienen de fuentes naturales y pueden ser aprovechables

directamente sin ser sometidas a ningún tipo de transformación (carbón, petróleo, hidráulica,

solar, eólica, biomasa, etc.)

Energías secundarias que son las que utiliza el usuario final después de una serie de

transformaciones como la electricidad, los derivados del petroleo, etc.

Siempre que se transforma un tipo de energía en otra se producen pérdidas debido a que una

parte de esta energía se transforma en calor inevitablemente según el segundo principio de

la termodinámica produciéndose lo que conocemos como degradación de la energía.

Según su disponibilidad se clasifican en:

Fuentes de energía renovables. Tienen su origen directa o indirectamente en la energía que

proporciona el Sol y por lo tanto son inagotables. También se las denomina energíasalternativas y se consideran de este tipo las siguientes:

• Solar. Se obtiene por el aprovechamiento directo de los rayos del Sol y se capta por medio

de paneles solares que a su vez pueden ser térmicos, utilizados para obtener agua caliente,

o fotovoltaicos, que convierten la luz en electricidad.

• Hidroeléctrica. Se aprovecha haciendo pasar una corriente de agua (normalmente

procedente de una presa) por una turbina que hace funcionar un alternador que convierte

la energía mecánica en energía eléctrica.

• Eólica. Procede del viento que es causado por la diferencia de temperatura existente entre

distintas masas de aire y ,por tanto, también procede de la energía del Sol. Se obtiene por

medio de aerogeneradores que consisten en una hélice que mueve un alternador que

convierte la energía cinética del aire en energía eléctrica. También se utiliza aprovechando

directamente la energía mecánica para extraer agua de pozos y para hacer funcionar los

clásicos molinos de viento.

• Geotérmica. La diferencia de temperaturas entre la superficie de la Tierra y su interior

permite obtener energía calorífica que puede ser utilizada directamente o convertida en

energía eléctrica, tanto para fines domésticos como industriales.

• Mareomotriz. Procede de la diferencia de nivel que alcanza el agua del mar en las mareas.

Existen varios métodos para aprovechar la energía potencial del agua cuando está en

su nivel más alto obteniendo energía eléctrica.

• Biomasa. El adecuado tratamiento de la materia orgánica permite obtener energía, bien

por combustión directa o por la obtención de productos como el biogás producido en

vertederos controlados o el bioalcohol procedente de excedentes agrícolas.

TRABAJO Y ENERGÍA. TERMODINÁMICA

4UNIDAD

101

Fuentes de energía no renovables. Podemos distinguir dentro de éstas las procedentes de

restos fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y la nuclear de fisión procedente del uranio. Son

no renovables porque la cantidad existente en la Tierra es limitada.

• Carbón. Está formado principalmente por carbono y otras sustancias químicas. Se debe

su origen a los extensos bosques de helechos que poblaban la Tierra hace 300 millones

de años. La materia orgánica de las plantas que morían, al quedar sepultada en ciertas

condiciones de presión, temperatura y escasez de oxígeno se convirtió en el carbón que

hoy conocemos.

En la actualidad se utiliza fundamentalmente como combustible en las centrales térmicas

para producción de electricidad lo que genera la emisión de enormes cantidades de CO

2

a la atmósfera.

• Petróleo. Se formó por grandes masas de plancton existentes en el fondo de los mares

que se descompusieron en ausencia de oxígeno. Está compuesto por una mezcla de

hidrocarburos en proporción variable.

Actualmente es la fuente de energía que arroja el más alto porcentaje de consumo en el

mundo. Sus aplicaciones son innumerables desde la obtención de productos derivados

hasta su empleo en motores de combustión y producción de electricidad en centrales

térmicas.

La dependencia energética de muchos países, las fuertes fluctuaciones del mercado y la

búsqueda de energías más limpias hacen que se investigue cada vez más en la producción

y aplicación de energías alternativas.

• Gas natural. Tiene el mismo origen que el petróleo. Está compuesto por hidrocarburos

ligeros cuyo principal componente es el metano. Es el combustible más utilizado en la

actualidad sobre todo para uso doméstico.

• Nuclear. Procede de la fisión (ruptura) de átomos del isótopo de uranio U

235

con

desprendimiento de una gran cantidad de energía. Este proceso tiene lugar en el interior

de un reactor nuclear debidamente refrigerado y protegido para evitar que salgan al exterior

las partículas y radiaciones, producidas en la reacción nuclear, altamente nocivas para

todos los seres vivos.

La energía generada por las centrales nucleares es más económica que la proporcionada

por los combustibles fósiles pero su obtención conlleva altos riesgos debidos a una eventual

fuga de radiación o contaminación del agua refrigerante, además de los problemas que

plantea la gestión de los residuos radiactivos que necesariamente debe ser segura y eficaz

para proteger la salud de la población y el medio ambiente.

La Comisión Mundial sobre Ambiente y Desarrollo en 1987 definió Desarrollo sosteniblecomo “el desarrollo que asegura las necesidades del presente sin comprometer la capacidad

de las futuras generaciones para enfrentarse a sus propias necesidades“.

Es evidente que para lograr este desarrollo, tan necesario para la humanidad, hemos de uti-

lizar la energía del modo más eficiente reduciendo el consumo y, en consecuencia, el calenta-

miento global, y minimizar el uso de energías no renovables susceptibles de agotarse y en cuya

combustión se emiten gases (principalmente CO

2

y SO

2

) que alteran el equilibrio natural de la

atmósfera dando lugar a la lluvia ácida, al efecto invernadero y daños en la capa de ozono.