Ciencias naturales básicas



Características de la energía y sus clases: fórmulas y ejemplos

Las características de la energía son las siguientes: se transforma, se transfiere, se acumula, se conserva y se degrada.

«Energía es la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo”. En otras palabras, es todo aquello que puede ser transformado en movimiento o todo aquello en lo cual el movimiento se transforma.

La energía no es importante solo por su utilidad para el hombre y su tecnología. Fenómenos como el ciclo del agua, los ciclos de muchos elementos, el viento, el efecto invernadero, la fotosíntesis e incluso el origen y conservación de la vida, pueden ser explicados con base en las características de la energía.

Las 5 características de la energía

La energía se transforma

La energía se puede presentar en diversas formas. En casa, por ejemplo, usamos energía térmica en duchas, hornos, estufas y planchas. Del mismo modo, usamos energía mecánica en licuadoras y lavadoras y energía lumínica en lámparas. Pero todas estas formas de energía llegan en forma de energía eléctrica. En otras palabras, la energía eléctrica se transforma en cada una de las formas de energía citadas.

Otra forma importante de energía, es la energía química que se encuentra en combustibles, alimentos y baterías. La energía de los combustibles se transforma en energía térmica. En los alimentos, la energía se transforma en calor, movimiento y demás trabajos metabólicos. Además, la energía de las baterías se transforma en calor, movimiento, luz, etc. Según el aparato que se conecte a ellas.

La Energía solar, fuente casi inagotable, puede transformarse en calor y electricidad. La energía eólica (energía mecánica del viento), puede ser transformada en electricidad.

La energía se transfiere

Es decir que pasa de un sistema a otro. Por ejemplo, las energías lumínica y térmica del sol viajan a través del espacio y llegan hasta la tierra.

La energía se acumula

Esto ocurre cuando la energía es almacenada en un sistema,  y luego liberada como luz calor o movimiento. Es decir que está escondida en el sistema y nos damos cuenta de ello cuando la extraemos. Por ejemplo, las baterías, embalses, los resortes comprimidos, los combustibles y los alimentos mantienen energía acumulada o almacenada.

La energía se conserva

Una de las leyes fundamentales de la física, afirma que la energía no puede ser creada ni destruida. La cantidad de energía en un sistema es constante. Esta ley fue enunciada, inicialmente, por James Prescott Joule.

La energía se degrada

Otra de las características de la energía es que ella tiende a circular en un solo sentido en un sistema físico. La energía de movimiento tiende a transformarse en energía térmica; la térmica fluye de los cuerpos más calientes a los cueros más fríos, etc. La energía de movimiento, la energía eléctrica y ciertas formas de energía química, son más preciadas por cuanto se transforman de manera espontánea. Es decir, son más útiles, son más fáciles de utilizar.

 Clases de energía

Energía cinética

Es la que posee un cuerpo en movimiento. Matemáticamente, se expresa con la fórmula:

\[E_{c}={{1\over2}mv^2}\]

Donde m es la masa del cuerpo y v es la velocidad.

 Energía potencial

Es la energía almacenada en un cuerpo en virtud de su posición. Puede ser gravitacional si su magnitud varía con la masa del cuerpo y con la altura a la cual se encuentra; o elástica, si se almacena en un resorte comprimido o alongado más allá de su longitud normal. La fórmula para expresar la energía potencial gravitacional es:

\[E_{pg}=mgh\]

donde m es la masa del cuerpo, g es la aceleración de gravedad de la tierra  ), y h es la altura en metros.

La energía potencial elástica, se expresa por la fórmula:

\[E_{pe}={{1\over2}kx^2}\]

donde x es la elongación (cambio de longitud del resorte), medida en metros y k es la constante de elasticidad medida en Newton por metro .

Al calcular la energía de un sistema, nos encontramos las magnitudes kilogramo por metro cuadrado sobre segundo cuadrado.

\[{Kg\times m^2\over s^2}\]

A esta combinación de magnitudes se les denomina Julios. En otras palabras, el julio es una unidad de energía y se representa con una J.

La siguiente tabla resume las fórmulas que se pueden deducir de cada clase de energía:

características de la energía

Uso de las fórmulas

para usar una fórmula se reemplazan los valores dados en el ejercicio y se realizan las operaciones correspondientes.

Ejemplo 1: un martillo de 1.5 Kg choca contra un clavo a una velocidad de 40 m/s. ¿Cuál es la energía cinética en el momento del impacto?

Solución: los datos son:

  • masa m = 1.5 Kg
  • velocidad V = 40 m/s
  • energía cinética Ec =?      Es la cantidad que se debe calcular

Procedimiento: Para comenzar, se escribe la fórmula correspondiente. La fórmula para calcular la energía cinética es:

\[E_{c}={{1\over2}mv^2}\]

Posteriormente, se reemplazan los valores.

\[E_{c}={{1\over2}1.5Kg\times(40m/s)^2}\]

Más adelante, se realizan las operaciones indicadas. Las operaciones  se realizan en el siguiente orden:

Primero, las potencias. 40 por 40 es 1600. Se elevan también las unidades.

\[E_{c}={{1\over2}1.5Kg\times(1600m^2/s^2)}\]

Segundo, se multiplica 1.5 por 1600. Esto da 2400 Kgm2/s2.

\[E_{c}={{1\over2}\times2400Kgm^2/s^2}\]

Finalmente, se divide 2400 entre 2 y el resultado es 1200Kgm2/s2. Estas unidades se pueden reemplazar por Julios (J)

\[E_{c}={1200J}\]

Respuesta: la energía cinética en el momento del impacto es de 1200 julios.

Taller de lectura

  1. Escriba las definiciones de energía
  2. ¿En qué radica la importancia de la energía?
  3. Cite los fenómenos naturales que pueden ser explicados con base en las características de la energía
  4. Defina cada una de las características de la energía.
  5. ¿Qué es energía eólica?
  6. De 3 ejemplos de acumulación y transferencia de energía
  7. ¿Qué es energía cinética?
  8. Escriba la definición de energía potencial.
  9. ¿Qué diferencia hay entre energía potencial gravitacional y energía potencial elástica?
  10. ¿Qué significa la palabra elongación?
  11. ¿Cuál es la aceleración de gravedad en la Tierra?
  12. ¿En qué unidades se mide la energía y cómo se representan?
  13. copie la tabla que resume las fórmulas que se pueden deducir de cada clase de energía.
  14. ¿Cómo se procede para usar una fórmula?
  15. Copie el ejemplo 1, con la respectiva solución.
Aplicación de habilidades

Utilice las fórmulas dadas en la lectura, para desarrollar los siguientes ejercicios:

  1. Un camión cuya masa es de 10000 kilogramos choca con un edificio a una velocidad de 16.66 metros por segundo. Calcule la energía cinética del impacto
  2. Un embalse ubicado a1500 metros de altura sobre una ciudad, puede almacenar hasta 300000000 de litros de agua cuya densidad es un kilogramo por litro. El agua se vierte por una tubería hasta una planta ubicada a la altura de la ciudad para producir electricidad. Calcule la energía potencial cuando el embalse está lleno y la energía potencial cuando el embalse esta a un tercio de su capacidad.
  3. Un resorte cuya constante de elasticidad es 9.13 N/m, se ubica horizontalmente y se comprime reduciendo su longitud en 0.03 m. Calcule la energía potencial elástica del resorte en esa posición.
  4. La energía cinética de un objeto en movimiento, es de 53500 julios a una velocidad de 20 m/seg en un momento dado. ¿Cuál es la masa del objeto?
  5. ¿A que altura se debe colocar un objeto de 50 kilogramos para que al caer libere una energía de 23000 julios?
  6. En un litro de un combustible se estima que se almacenan 85000 julios de energía. Al quemar dicho combustible en un motor, se producen 27200 julios de energía mecánica y se gastan 2500 julios en el rozamiento entre las piezas de la máquina. ¿Cuántos julios se disipan como calor?