Bajas en bici por una cuesta larga de La Paz, aprietas el freno y, al llegar abajo, la pastilla está caliente. Tu energía de movimiento no desapareció: ¿por dónde se fue y cómo se cuenta lo que entra y sale de un sistema? Eso es lo que vas a resolver aquí.
Dos formas de transferir energía: trabajo y calor
Para calentar un alambre puedes acercarlo a una llama o doblarlo muchas veces con las manos. Son acciones muy distintas, pero las dos le pasan energía. En la física se estudia una parte pequeña del mundo llamada sistema (el alambre, tu bici, el agua de una olla). Todo lo que queda fuera es el entorno. La energía entra o sale del sistema por sus límites, y solo hay dos caminos.
¿Cómo viaja el calor?
El calor siempre fluye del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, y lo hace por tres mecanismos:
Conducción: por contacto directo. La cuchara de metal se calienta en el té caliente porque las partículas que vibran más pasan energía a sus vecinas.
Convección: por el movimiento de un fluido (líquido o gas). El agua caliente del tanque sube y la fría baja, y así se mezcla todo.
Radiación: por ondas electromagnéticas, sin necesidad de contacto ni de aire. Así sientes el calor de una fogata a distancia y así llega la energía del Sol. Todos los cuerpos emiten y absorben radiación.
El trabajo y su cálculo: W = F·d
Cuando una fuerza constante empuja o tira de un cuerpo en la misma dirección en que se mueve, el trabajo es
Si $d$ está en centímetros, primero conviértela a metros: $5\ \text{cm} = 0{,}05\ \text{m}$.
¿En qué se convierte el trabajo? Si empujas un carrito y va cada vez más rápido, el trabajo se convierte sobre todo en energía cinética. Si subes una carga, se convierte en energía potencial gravitatoria. Para subir un cuerpo a velocidad constante, la fuerza que haces es igual a su peso.
Practica★★☆Sin empezar
El trabajo que realiza una fuerza constante que empuja un cuerpo en la dirección del movimiento se calcula con $W = F \cdot d$, donde $d$ es la distancia recorrida. En…
El trabajo que realiza una fuerza constante que empuja un cuerpo en la dirección del movimiento se calcula con $W = F \cdot d$, donde $d$ es la distancia recorrida. En el supermercado, Noa empuja el carrito con una fuerza de $20\ \text{N}$ a lo largo de $5\ \text{m}$ por el pasillo, como se muestra en la figura.
a) Calcula el trabajo que ha realizado.
b) ¿En qué se ha convertido principalmente ese trabajo si el carrito va cada vez más deprisa?
Un montacargas de obra sube una caja de herramientas tirando del cable con una fuerza de $250\ \text{N}$ durante $6\ \text{m}$ de ascenso, como se muestra en la figura.…
Un montacargas de obra sube una caja de herramientas tirando del cable con una fuerza de $250\ \text{N}$ durante $6\ \text{m}$ de ascenso, como se muestra en la figura.
a) Calcula el trabajo realizado por el montacargas con $W = F \cdot d$.
b) ¿Qué le ha ocurrido a la energía de la caja al ganar ese trabajo?
En una obra hay dos grúas: la grúa A sube una viga tirando con $400\ \text{N}$ durante $3\ \text{m}$ y la grúa B sube un saco de cemento tirando con $250\ \text{N}$…
En una obra hay dos grúas: la grúa A sube una viga tirando con $400\ \text{N}$ durante $3\ \text{m}$ y la grúa B sube un saco de cemento tirando con $250\ \text{N}$ durante $5\ \text{m}$.
a) Calcula el trabajo de cada grúa.
b) ¿Cuál de las dos ha transferido más energía? Comenta si la grúa que tira con más fuerza es también la que más trabajo hace.
En la etiqueta nutricional de los alimentos vas a ver kilocalorías: $1\ \text{cal} \approx 4{,}18\ \text{J}$ y $1\ \text{kcal} \approx 4.180\ \text{J}$. En la factura de luz, en cambio, la energía viene en kWh: $1\ \text{kWh} = 3.600.000\ \text{J}$.
En el siglo XIX, James Joule dejó caer una pesa que, con una cuerda y unas paletas, agitaba agua dentro de un recipiente aislado. El agua subía de temperatura igual que si una llama le hubiera aportado la misma cantidad de joules. Así demostró que trabajo y calor son dos caminos para transferir lo mismo: energía.
Practica★☆☆Sin empezar
En el Sistema Internacional, tanto el trabajo como el calor se miden en julios ($\text{J}$), la misma unidad que la energía. Explica con tus palabras por qué tiene…
En el Sistema Internacional, tanto el trabajo como el calor se miden en julios ($\text{J}$), la misma unidad que la energía. Explica con tus palabras por qué tiene sentido que las tres cosas compartan unidad.
En el gimnasio, Héctor levanta una pesa de $20\ \text{kg}$, cuyo peso es de unos $200\ \text{N}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), desde el suelo hasta $1,5\ \text{m}$ de…
En el gimnasio, Héctor levanta una pesa de $20\ \text{kg}$, cuyo peso es de unos $200\ \text{N}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), desde el suelo hasta $1,5\ \text{m}$ de altura.
a) Calcula el trabajo que realiza en cada levantamiento.
b) ¿Cuánto trabajo acumula en una serie de $12$ levantamientos?
c) ¿De dónde sale la energía que Héctor transfiere a la pesa?
Frenas en seco la bici y la energía cinética «desaparece», pero la pastilla queda caliente. ¿Cómo se lleva la cuenta?
La energía cinética del auto o de la bici se transforma en energía interna del freno (más temperatura), y de ahí pasa al aire. Se conserva en cantidad, pero se degrada en calidad: ya no puedes usarla para mover la bici. Por eso «nada se pierde, todo se transforma» no alcanza: lo que importa es en qué forma queda la energía.
Balances de energía y porcentaje aprovechado
Problemas de balance con varios destinos
Muchas veces la energía de entrada se reparte en varios destinos a la vez: energía almacenada, calor y sonido. El método es siempre el mismo: calcula la energía total que entra, resta los destinos que conoces y lo que queda es el destino que falta.
Vuelve al principio: la energía cinética de tu bici pasó a la pastilla por trabajo de la fuerza de fricción, subió su energía interna y después salió al aire como calor. Nada se perdió: $\Delta U = Q - W$ lo cuenta todo, aunque la energía quede degradada.
Resumen
¡A practicar! 4 ejercicios de nivel medio en este apartado