7.2: Energía
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- Definir energía.
- Conocer las unidades de energía.
- Entender la ley de conservación de la energía.
La energía es la capacidad de hacer el trabajo. Piénsalo: cuando tienes mucha energía, puedes hacer mucho trabajo; pero si tienes poca energía, no quieres hacer mucho trabajo. El trabajo (w) en sí mismo se define como una fuerza (F) que opera sobre una distancia (Δ x):
w = F × Δ x
En SI, la fuerza tiene unidades de newtons (N), mientras que la distancia tiene unidades de metros. Por lo tanto, el trabajo tiene unidades de N·m. Esta unidad compuesta se redefine como un Joule (J).
1 julio = 1 newton·metro1 J = 1 N·m
Debido a que la energía es la capacidad de hacer trabajo, la energía también se mide en julios. Esta es la unidad primaria de energía que vamos a utilizar aquí.
¿Cuánto es 1 J? Es suficiente calentar alrededor de un cuarto de gramo de agua en 1°C. Se necesitan alrededor de 12,000 J para calentar una taza de café de temperatura ambiente a 50°C. Así que un joule no es mucha energía. No será raro medir energías en miles de julios, por lo que el kilojulio (kJ) es una unidad común de energía, con 1 kJ igual a 1,000 J.
Una unidad de energía más antigua, pero aún común, es la caloría. La caloría (cal) se definió originalmente en términos de calentamiento de una determinada cantidad de agua. La definición moderna de calorías la equipara a julios:
1 cal = 4.184 J
La caloría se utiliza al considerar la nutrición. El contenido energético de los alimentos a menudo se expresa en calorías. Sin embargo, la unidad calórica utilizada para los alimentos es en realidad la kilocaloría (kcal). La mayoría de los alimentos indican esto al escribir la palabra con una C mayúscula. Figura\(\PageIndex{1}\) - Calorías en las Etiquetas de los Alimentos, muestra un ejemplo.
La etiqueta en Figura\(\PageIndex{1}\) establece que la porción tiene 38 Cal. ¿Cuántos julios es esto?
Solución
Reconocemos que con una C mayúscula, la unidad de Calorías es en realidad kilocalorías. Para determinar el número de julios, primero convertimos de kilocalorías a calorías (usando la definición del prefijo kilo) y luego de calorías a julios (usando la relación entre calorías y julios). Entonces
\[38\cancel{kcal}\times \frac{1000\cancel{cal}}{1\cancel{kcal}}\times \frac{4.184\, J}{1\cancel{cal}}=160,000\, J\nonumber \]
Una porción de cereal para el desayuno suele tener 110 Cal. ¿Cuántos julios de energía es esto?
- Contestar
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460,000 J
En el estudio de la energía, utilizamos el término sistema para describir la parte del universo en estudio: un vaso de precipitados, un matraz o un recipiente cuyo contenido está siendo observado y medido. Un sistema aislado es un sistema que no permite una transferencia de energía o materia dentro o fuera del sistema. Una buena aproximación de un sistema aislado es una botella de tipo térmico cerrada y aislada. El hecho de que la botella de tipo térmico esté cerrada evita que la materia entre o salga, y el hecho de que esté aislada evita que la energía entre o salga.
Una de las ideas fundamentales sobre la energía total de un sistema aislado es que no aumenta ni disminuye. Cuando esto le sucede a una cantidad, decimos que la cantidad se conserva. La ley de conservación de la energía establece que la energía total de un sistema aislado no cambia. Como ley científica, este concepto ocupa el más alto nivel de comprensión que tenemos sobre el universo natural.
Claves para llevar
- La energía es la capacidad de hacer trabajo y utiliza la unidad joule.
- La ley de conservación de la energía establece que la energía total de un sistema aislado no aumenta ni disminuye.