MAPAS CONCEPTUALES - MECÁNICA

 Qué es la energía y cómo se mide 
››› El concepto de energía. 
Energía: es la capacidad que tienen los sistemas materiales para producir cambios. Pero no debemos pensar que la energía es la causa de los cambios, sino son las interacciones, y su consecuencia, las transferencias de energía. 

››› Como se mide la energía.
Se puede medir mediante dos unidades diferentes: 
-Para medir el calor: 
· Una caloría (cal) es la cantidad de calor que se ha de transferir a un
gramo de agua para que su temperatura aumente un grado centígrado. 

-Para medir el trabajo: 
· Un julio ( j ) es el trabajo necesario para elevar a un metro de altura un objeto de 102g de masa.
En el sistema internacional de Unidades la unidad de energía es el julio. 

››› Manifestaciones de la energía. 
· Energía mecánica: 
La energía cinética (Ec) y potencial (Ep) se encuentra habitualmente ligadas y, por ello, se ha generalizado el término de energía mecánica para designarlas: 
Em = Ec + Ep
· Energía interna: 
La energía térmica a la energía liberada en forma de calor, liberada por la naturaleza. La Energía química es la que se produce en las reacciones químicas. A todo este grupo de energía lo denominamos energía interna. 

· Energía radiante: 
Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, tanto más energética cuanto mayor sea su temperatura. 


2 Transferencia de energía. Principios de conservación. 
››› Concepto de sistema
En función de cómo un sistema puede intercambiar materia y energía con su entorno, podemos clasificarlos: 
· Sistemas abiertos. Pueden intercambiar materia y energía con su entorno. 
· Sistema cerrado. Solo intercambian energía. 
· Sistema aislado. No puede intercambiar con el exterior ni materia ni energía. Un sistema aislado perfecto sería el universo. 

››› En qué forma intercambia energía los sistemas 
Los sistemas pueden intercambiar energía de dos modos: 
· En forma mecánica, mediante trabajo. 
Se produce un intercambio de energía en forma de trabajo siempre que una fuerza produce desplazamiento. 
El trabajo es pues, energía en transito. 

· En forma térmica, mediante calor. Cuando se llega a un punto de equilibrio térmico cesará el intercambió de energía. 
El intercambio energético en forma de calor se produce entre sistemas que se encuentran a distinta temperatura. 
El calor también es energía en transito. 

››› Principios de conservación de la energía 
Las experiencias realizadas en los campos de la mecánica y la termodinámica, indican que: la energía siempre se conserva. 

Propagación del calor: 

Convección:
En los fluidos, la propagación del calor se produce mediante un transporte de materia. Las zonas del fluido a mayor temperatura se expanden, disminuyendo su densidad, y se elevan, quedando las partes bajas ocupadas por fluidos a menor temperatura. Cuando se enfrían, vuelven a descender, y así se originan las corrientes de convección. 

Archivo:Hobo stove convection 2.jpg

Conducción:
Es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico. 

Radiación:
Todos los sistemas emiten radiación electromagnética, cuya energía depende de la temperatura a la que se encuentre, y también absorben parte de la radiación que les llega, proveniente de otros sistemas.
La radiación no necesita la materia para trasmitirse: se propaga por el vacío. 

La energía mecánica 
››› Energía potencial 
Un cuerpo, por su posición en el campo gravitatorio, tiene capacidad para realizar distintos tipos de transformaciones, es decir, tiene energía.
-Energía potencial gravitatoria es la que tienen los cuerpos debido a su posición en el campo gravitatorio. 
Esta energía es directamente proporcional a la masa del objeto, m, a la intensidad del campo gravitatorio, g, y a la distancia entre el objeto y el centro de la Tierra. Si tomamos como referencia la superficie de la Tierra, y suponemos que cualquier objeto en ella tiene una Ep = 0, la que corresponde a un objeto que se encuentre a una altura h sobre la superficie terrestre será: 
Elástica = m · g · h

Al deformar un muelle, los cuerpos tienen una energía potencial debida a la elasticidad de estos sistemas, es la denominada energía potencial elástica, que es tanto mayor cuanto mayor sea la deformación, ∆x, que sufre el sistema. Si k es la constante elástica del resorte, que depende de su naturaleza, su expresión es: 

Elástica = ½ · k · ( ∆x ) 2

››› Energía cinética
Energía cinética es la que poseen los cuerpos debido a su movimiento. Es proporcional a la masa del cuerpo, m, y al cuadrado de su velocidad, v:


Ec = ½ · v 2
››› Conservación de la energía mecánica 
Se define la energía mecánica de un cuerpo como la suma de sus energías cinética y potencial: 


Em = Ec + Ep


4 El trabajo modifica la energía mecánica. Potencia 
››› Concepto de trabajo 
Cuando la transferencia de energías entre sistemas se produce mediante la intervención de fuerzas que se desplaza, decimos que se ha realizado un trabajo.
Por ejemplo sin intentamos mover un coche y no se produce ningún movimiento no estamos comunicando algún tipo de energía, pero en cambio si lo consiguiésemos mover estaríamos aplicando una energía cinética. Por tanto el desplazamiento que provoca esta fuerza, se denomina trabajo mecánico (W). 

El trabajo es la energía que se transfiere de unos sistemas a otros por la acción de una fuerza que se desplaza.

¿Cómo se mide el trabajo? 
En primer lugar dejamos claro lo que es trabajo mecánico que se define como el producto de la fuerza aplicada, en la dirección del movimiento, por el desplazamiento: 

W = F · ∆x

Su unidad de medida es el Julio. El julio seria el trabajo realizado por la fuerza de newton cuando su punto de aplicación se desplaza un metro en la misma dirección y sentido que el desplazamiento: 1J = 1 N · 1m. 

››› El trabajo modifica la energía potencial 
Si queremos elevar un cuerpo a cierta altura, modificamos su energía potencial ya que estamos estableciendo una fuerza opuesta a su peso: 

Wf = F · ∆h = m · g · (hb – ha)

m · g · ha

Epb – Epa = ∆Ep 

Esta expresión significa que el trabajo realizado por una fuerza igual y opuesta al peso se emplea en aumentar la energía potencial de cuerpo, es decir, esta se almacena. 

››› La rapidez del trabajo. Potencia 
Vamos a definir que la potencia es la rapidez con la que se realza un trabajo. Para calcularla necesitaremos la siguiente formula. 

Potencia = Trabajo → P = W/t → vatio = julio/segundo

Como podemos observar la unidad de media de la potencia del S.I. es el vatio (W) que se define como la pot3encia de una maquina que realiza el trabajo de un julio por segundo. 

››› El teorema de las fuerzas vivas 
Como hemos visto antes el trabajo modifica la energía potencial de un cuerpo, pues bien este también modifica la energía cinética de dicho cuerpo. Esta modificación de su energía cinética se le conoce como el teorema de las fuerzas vivas y la representación de su formula seria la siguiente: 

Wfneta

∆Ec

½ · m · (v²f – v²i) 




5 Energía térmica, calor y otros conceptos relacionados 
››› Qué es, y como se manifiesta, la energía térmica 
La energía térmica es la suma de todas las energías cinéticas de las partículas que lo constituyen. Es parte de su energía internaSe manifiesta mediante la temperatura. 
La temperatura de un sistema es una magnitud proporcional a la energía cinética media de sus partículas. 
La energía térmica de un sistema, depende de su temperatura, pero también de su masa y de su naturaleza. No debes pensar que los sistemas a mayor temperatura tienen mas energía térmica.

››› Calor y temperatura. Equilibrio térmico 
El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas de la materia. 
La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia.
Cuando dos sistemas a temperaturas diferentes entran en contacto, se produce una transferencia de energía, siempre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el menor, hasta que ambas temperaturas se igualan. Cuando esto ocurre decimos que hay equilibrio térmico.

Enlace de interes: Equilibrio termico (explicación)

››› Calor específico 
El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el sistema internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramos y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramos y grado centígrado. 





6 Efectos del calor. Calorimetría 
››› El calor y los cambios de estado 
Cuando suministramos calor a un cuerpo se produce un incremento de su temperatura, pero siempre no es así, pues hay casos en que esta permanece constante aunque se le suministren grandes cantidades de calor. Esto ocurre cuando se produce un cambio de estado. En los cambios de estado no varía la temperatura. 

Enlace de interes: Animación de cambios de estado en vista microescopica

Enlace de interes: Estados de la materia (explicación)

¿Como explica este fenómeno la TCM? 
Según la teórica cinética molecular al calentar un cuerpo sólido su temperatura aumenta porque lo hace la energía cinética mediante sus partículas, pero, al llegar a la fusión, han de separarse unas de otras. Por eso la temperatura durante la fusión permanece constante. Otro tanto ocurre en la ebullición; la temperatura permanece constante porque la energía que se le suministra líquido se invierte en separar por completo las partículas. Calor latente de cambio de estado es la energía necesaria para producir el cambio de estado de 1 Kg. de cualquier sustancia, a temperatura constante. Cada sustancia tiene unos calores de cambios de estados característicos. 

En la fusión: Q = m·c f En la ebullición: Q = m·c v 

Enlace de interes: Animación de la Teoria Cinetica Molecular

Enlace de interes: Modelos atómicos

››› Calorimetría
Cuando dos sistemas a la misma temperatura toman contacto pasar calor desde el que tiene la temperatura más alta al otro hasta que igualen ambas.
El calor cedido por el cuerpo es negativo porque disminuye su energía interna. Al calor ganado lo consideramos positivo, porque la aumenta:


Q cedido = m1 · ce1 · (Te - T1) Q ganado = m2 · ce2 · (Te - T2)

De acuerdo con el principio de conservación de energía:


m1 · ce1 · (Te - T1) + m2 · ce2 · (Te - T2) = 0



7 Maquinas térmicas 

››› Balance, energía-trabajo-calor en las máquinas 
Una maquina térmica es un dispositivo capaz de transformar en trabajo parte del flujo calorífico que se establece entre dos sistemas a diferentes temperaturas (foco caliente y foco frío). Una máquina térmica funciona cuando se produce un paso de calor de una zona a otra de ella para que una máquina funcione en modo continuo tendremos que desalojar el calor del foco frío mediante un sistema refrigerante. Lamamos rendimiento de una máquina térmica al cociente entre el trabajo mecánico producido y el calor aportado por el foco caliente: 
Rendimiento = W/Q1 · 100
››› Clasificación de las máquinas térmicas 
· Máquinas de combustión externa 
La expansión es generada por un foco calorífico exterior a la máquina la primera máquina térmica utilizada fue la máquina de vapor inventada en el sigo XVII por James Watt para bombear el agua en las minas de carbón. El vapor de agua después de producir el desplazamiento del émbolo se enfría en el condensador y vuelve, forzada por la bomba, a la caldera.