3.7: Energía

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La energía generalmente se define como la capacidad para hacer trabajo. Por ejemplo, una bola de billar puede chocar con una segunda bola, cambiando la dirección o velocidad de movimiento de esta última. En tal proceso también se alteraría el movimiento de la primera bola. Diríamos que una bola de billar sí funcionó (transfirió energía a) la otra.

Energía cinética

I mage fuente: Aprendizaje inteligente para todos

La energía debida al movimiento se llama energía cinética y está representada por E _k. Para un objeto que se mueve en línea recta, la energía cinética es la mitad del producto de la masa y el cuadrado de la velocidad:

\[ E_{k} = \frac{1}{2} mu^{2} \label{1} \]

donde

m = masa del objeto
u = velocidad del objeto

Si las dos bolas de billar mencionadas anteriormente fueran estudiadas en el espacio exterior, donde la fricción por sus colisiones con moléculas de aire o la superficie de una mesa de billar sería insignificante, mediciones cuidadosas revelarían que su energía cinética total sería la misma antes y después de que chocaran. Este es un ejemplo de la ley de conservación de la energía, que establece que la energía no puede crearse ni destruirse bajo las condiciones habituales de la vida cotidiana. Siempre que parece haber una disminución de la energía en alguna parte, hay un aumento correspondiente en otro lugar.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\) : Kinetic Energy

Calcular la energía cinética de un Volkswagen Beetle de masa 844 kg (1860 lb) que se mueve a 13.4 m s ^—1 (30 millas por hora).

Solución:

\(\large E_{k} = \frac{1}{2} m u^{2} = \frac{1}{2} \times 844 \text{ kg} \times ( 13.4 \text{ m} \text{ s}^{-1} )^{2} = 7.58 \times 10^{4} \text{ kg}\text{ m}^{2} \text{ s}^{-2}\)

En otras palabras, las unidades de energía se derivan de las unidades base SI kilogramo por masa, metro por longitud y segundo por tiempo. Una cantidad de calor o cualquier otra forma de energía puede expresarse en kilogramos-metro cuadrado por segundo cuadrado. En honor a la obra pionera de Joule esta unidad derivada 1 kg m ² s ^—2 llamada el joule, abreviado J. El Volkswagen en cuestión podría hacer casi 76 000 J de trabajo en cualquier cosa con la que se encontrara.

Energía Potencial

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La energía potencial es la energía que se almacena al elevarse en altura, o por otros medios. Frecuentemente proviene de separar cosas que atraen, como las aves ascendentes están siendo separadas de la Tierra que las atrae, o separando imanes, o tirando de un globo cargado electrostáticamente de un objeto de carga opuesta al que se ha aferrado. La energía potencial se abrevia E _P y la energía potencial gravitacional se calcula de la siguiente manera:

\[\large E_{P} = mgh \tag{2} \]

donde

m = masa del objeto en kg
g = constante gravitacional, 9.8 m s ²
h = altura en m

Observe que E _P tiene las mismas unidades, kg m ² s ^—2 o Joule como energía cinética.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\): Kinetic Energy Application

¿Qué tan alto tendría que subir (verticalmente) el VW que pesa 844 kg y se mueve a 30 mph en una colina para llegar a una parada completa, si ninguna de las potencias de parada provenía de la fricción?

Solución:

La energía cinética del automóvil es de 7.58 × 10 ⁴ kg m ² s ^—2 (de EJEMPLO\(\PageIndex{1}\)), por lo que todo esto tendría que ser convertido a E _P. Entonces podríamos calcular la altura vertical:

\(\large E_{P} = mgh = 7.58 \times 10^{4} \text{ kg} \text{ m}^{2} \text{ s}^{-2} = 844 \text{ kg} \times 9.8 \text{m} \text {s}^{-2} \times h \)

\( \large h = 9.2 \text{ m} \)

Incluso cuando hay mucha fricción, la ley de conservación de la energía todavía se aplica. Si pones un batido en una batidora y lo dejas ahí por 10 min, tendrás una bebida tibia, bastante poco apetitosa. Las cuchillas giratorias de la mezcladora funcionan (transfieren energía a) el batido, elevando su temperatura. El mismo efecto podría producirse calentando el batido, hecho que sugiere que el calentamiento también implica una transferencia de energía. Los primeros experimentos cuidadosos para determinar cuánto trabajo equivalía a una determinada cantidad de calor fueron realizados por el físico inglés James Joule (1818 a 1889) en la década de 1840. En un experimento muy similar a nuestro ejemplo de batido, Joule conectó pesos descendentes a través de un sistema de poleas a una rueda de paletas sumergida en un recipiente aislado de agua. Esto le permitió comparar el aumento de temperatura que resultó del trabajo realizado por los pesos con el que resultó del calentamiento. Las unidades con las que medir la energía pueden derivarse de las unidades base SI del Cuadro 1 del Sistema Internacional de Unidades (SI) (opens in new window) mediante el uso de la Ec. \(\ref{1}\).

Otra unidad de energía aún ampliamente utilizada por los químicos es la caloría. La caloría solía definirse como la energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5°C a 15.5°C pero ahora se define como exactamente 4.184 J.