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6.6: Poder

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    ¿Qué es el Poder?

    En física, el poder es la velocidad de hacer el trabajo, la cantidad de energía consumida por unidad de tiempo.

    objetivos de aprendizaje

    • Relacionar el poder con la transferencia, el uso y la transformación de diferentes tipos de energía

    En física, el poder es la tasa de hacer el trabajo. Es la cantidad de energía consumida por unidad de tiempo. La unidad de potencia es el julio por segundo (J/s), conocido como el vatio (en honor a James Watt, el desarrollador de la máquina de vapor del siglo XVIII). Por ejemplo, la velocidad a la que una bombilla transforma la energía eléctrica en calor y la luz se mide en vatios (W): más potencia, más potencia o, de manera equivalente, más energía eléctrica se usa por unidad de tiempo.

    Poder: Una breve descripción del poder en un curso de física basado en álgebra.

    La transferencia de energía se puede utilizar para hacer el trabajo, por lo que la energía también es la velocidad a la que se realiza este trabajo. La misma cantidad de trabajo se realiza cuando se lleva una carga por un tramo de escaleras ya sea que la persona que la lleve camine o corra, pero se consume más energía durante la carrera porque el trabajo se realiza en menor tiempo. La potencia de salida de un motor eléctrico es el producto del par que genera el motor y la velocidad angular de su eje de salida. La potencia gastada para mover un vehículo es producto de la fuerza de tracción de las ruedas y la velocidad del vehículo.

    Los ejemplos de poder están limitados sólo por la imaginación, porque hay tantos tipos como formas de trabajo y energía. La luz solar que llega a la superficie de la Tierra lleva una potencia máxima de aproximadamente 1.3 kilovatios por metro cuadrado (kW/m 2). Una pequeña fracción de esto es retenida por la Tierra a largo plazo. Nuestra tasa de consumo de combustibles fósiles es mucho mayor que la tasa a la que se almacenan, por lo que es inevitable que se agoten. El poder implica que la energía se transfiere, quizás cambiando de forma. Nunca es posible cambiar una forma completamente en otra sin perder parte de ella como energía térmica. Por ejemplo, una bombilla incandescente de 60 W convierte solo 5 W de energía eléctrica en luz, con 55 W disipándose en energía térmica. Además, la típica planta eléctrica convierte solo del 35 al 40 por ciento de su combustible en electricidad. El resto se convierte en una enorme cantidad de energía térmica que debe dispersarse como transferencia de calor, tan rápidamente como se crea. Una planta de energía de carbón puede producir 1,000 megavatios; 1 megavatio (MW) es 106 W de energía eléctrica. Pero la central eléctrica consume energía química a una tasa de alrededor de 2,500 MW, creando transferencia de calor a los alrededores a una tasa de 1,500 MW.

    imagen

    Central eléctrica a carbón: Las centrales eléctricas de carbón como esta en China generan enormes cantidades de energía eléctrica, pero una cantidad aún mayor de energía se destina a la transferencia de calor a los alrededores. Las grandes torres de enfriamiento aquí son necesarias para transferir calor tan rápido como se produce. La transferencia de calor no es exclusiva de las plantas de carbón, sino que es una consecuencia inevitable de generar energía eléctrica a partir de cualquier combustible: nuclear, carbón, petróleo, gas natural o similares.

    Humanos: Trabajo, Energía y Poder

    El cuerpo humano convierte la energía almacenada en los alimentos en trabajo, energía térmica y/o energía química que se almacena en el tejido graso.

    objetivos de aprendizaje

    • Identificar qué factores juegan un papel en la tasa metabólica basal (TMB)

    Humanos: Trabajo, Energía y Poder

    Nuestros propios cuerpos, como todos los organismos vivos, son máquinas de conversión de energía. La conservación de la energía implica que la energía química almacenada en los alimentos se convierte en trabajo, energía térmica, o almacenada como energía química en el tejido graso, como se muestra en. La energía consumida por los humanos se convierte en trabajo, energía térmica y grasa almacenada. Con mucho, la fracción más grande va a la energía térmica, aunque la fracción varía dependiendo del tipo de actividad física. La fracción que va a cada forma depende tanto de cuánto comamos como de nuestro nivel de actividad física. Si comemos más de lo necesario para hacer el trabajo y mantenernos calientes, el resto se destina a la grasa corporal.

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    Conversión de energía en humanos: La energía consumida por los humanos se convierte en trabajo, energía térmica y grasa almacenada. Con mucho, la fracción más grande va a la energía térmica, aunque la fracción varía dependiendo del tipo de actividad física.

    Funciones que requieren energía

    Todas las funciones corporales, desde el pensamiento hasta el levantamiento de pesas, requieren energía. Las muchas acciones musculares pequeñas que acompañan a toda actividad tranquila, desde dormir hasta rascarse la cabeza, finalmente se convierten en energía térmica, al igual que las acciones musculares menos visibles por el corazón, los pulmones y el tracto digestivo. El escalofrío, de hecho, es una respuesta involuntaria a la baja temperatura corporal que enfrenta los músculos entre sí para producir energía térmica en el cuerpo (y no hacer trabajo). Los riñones y el hígado consumen una sorprendente cantidad de energía, pero la mayor sorpresa de todas es que un 25% completo de toda la energía consumida por el cuerpo se utilice para mantener potenciales eléctricos en todas las células vivas. (Las células nerviosas utilizan este potencial eléctrico en los impulsos nerviosos.) Esta energía bioeléctrica finalmente se convierte principalmente en energía térmica, pero algunas se utilizan para impulsar procesos químicos como en los riñones y el hígado, y en la producción de grasa.

    Tasa Metabólica Basal

    La velocidad a la que el cuerpo utiliza la energía de los alimentos para sostener la vida y para realizar diferentes actividades se llama tasa metabólica. La tasa de conversión total de energía de una persona en reposo se llama tasa metabólica basal (BMR) y se divide entre varios sistemas en el cuerpo. La fracción más grande va al hígado y al bazo, y el cerebro viene a continuación. Por supuesto, durante el ejercicio vigoroso, el consumo de energía de los músculos esqueléticos y del corazón aumenta notablemente. Alrededor del 75% de las calorías quemadas en un día entran en estas funciones básicas. El BMR es una función de la edad, el sexo, el peso corporal total y la cantidad de masa muscular (que quema más calorías que la grasa corporal). Los atletas tienen un mayor BMR debido a este último factor.

    Trabajo Útil

    El trabajo realizado por una persona a veces se llama trabajo útil, que es el trabajo realizado en el mundo exterior, como levantar pesas. El trabajo útil requiere de una fuerza ejercida a través de la distancia sobre el mundo exterior, por lo que excluye el trabajo interno, como el que realiza el corazón al bombear sangre. El trabajo útil sí incluye el que se realiza al subir escaleras o acelerar a una carrera completa, porque estos se logran ejerciendo fuerzas en el mundo exterior. Las fuerzas ejercidas por el cuerpo son no conservadoras, por lo que pueden cambiar la energía mecánica (KE+PE) del sistema en el que se trabaja, y este suele ser el objetivo.

    Por ejemplo, ¿cuál es la potencia de salida para una mujer de 60.0-kg que sube por un tramo de escaleras de 3.00 m de altura en 3.50 s, partiendo del descanso pero teniendo una velocidad final de 2.00 m/s?.

    imagen

    Mujer corriendo por las escaleras: Cuando esta mujer corre arriba comenzando del descanso, convierte la energía química originaria de los alimentos en energía cinética y energía potencial gravitacional. Su potencia de salida depende de lo rápido que haga esto.

    Su potencia de salida depende de lo rápido que haga esto. El trabajo que entra en energía mecánica es W= KE + PE. En la parte inferior de las escaleras, tomamos tanto KE como PE g como inicialmente cero; así,

    \[\mathrm{W=KE_f+PE_g=\dfrac{1}{2}mv_f^2+mgh}\]

    donde h es la altura vertical de las escaleras. Debido a que se dan todos los términos, podemos calcular W y luego dividirlo por el tiempo para obtener potencia. Sustituyendo la expresión de W en la definición de potencia dada en la ecuación anterior,\(\mathrm{P=\frac{W}{t}}\) rinde

    \[\mathrm{P=\dfrac{W}{t}=\dfrac{\frac{1}{2}mv^2_f+mgh}{t}}\]

    Introducir rendimientos de valores conocidos

    \[\mathrm{P=\dfrac{0.5(60.0kg)(2.00m/s)^2+(60.0kg)(9.80m/s^2)(3.00m)}{(3.50s)} =\dfrac{120J+1764J}{3.50s} =538W}\]

    La mujer hace 1764 J de trabajo para subir las escaleras en comparación con sólo 120 J para aumentar su energía cinética; así, la mayor parte de su potencia de salida se requiere para subir en lugar de acelerar.

    El consumo de energía es directamente proporcional al consumo de oxígeno porque el proceso digestivo es básicamente uno de oxidar los alimentos. Podemos medir la energía que las personas usan durante diversas actividades midiendo su uso de oxígeno. Se producen aproximadamente 20 kJ de energía por cada litro de oxígeno consumido, independientemente del tipo de alimento.

    Puntos Clave

    • El poder implica que la energía se transfiere, quizás cambiando de forma.
    • La transferencia de energía se puede utilizar para hacer el trabajo, por lo que la energía también es la velocidad a la que se realiza este trabajo.
    • La unidad de potencia es el julio por segundo (J/s), conocido como el vatio.
    • La velocidad a la que el cuerpo utiliza la energía de los alimentos para sostener la vida y para realizar diferentes actividades se denomina tasa metabólica, y la tasa correspondiente cuando está en reposo se denomina tasa metabólica basal (TMB).
    • La energía incluida en la tasa metabólica basal se divide entre varios sistemas del cuerpo, con la mayor fracción que va al hígado y al bazo, y el cerebro viene a continuación.
    • Alrededor del 75% de las calorías de los alimentos se utilizan para mantener las funciones básicas del cuerpo incluidas en la tasa metabólica basal.
    • El trabajo realizado por una persona a veces se llama trabajo útil, que es el trabajo realizado en el mundo exterior, como levantar pesas.
    • El consumo de energía de las personas durante diversas actividades se puede determinar midiendo su uso de oxígeno, debido a que el proceso digestivo es básicamente uno de oxidar los alimentos.

    Términos Clave

    • potencia: Una medida de la tasa de trabajo o transferencia de energía.
    • vatio: En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de poder derivada; la potencia de un sistema en el que se transfiere un julio de energía por segundo.
    • Tasa metabólica basal: La cantidad de energía gastada mientras se encuentra en reposo en un ambiente neutralmente templado, en el estado post-absortivo.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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