Tecnología industrial/La energía

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En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología, «energía» se refiere además a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla y darle un uso industrial.

Este tema pretende ser un resumen de los conocimientos, unidades y expresiones necesarias para poder abordar distintos problemas sobre cuestiones energéticas relacionadas con la Tecnología.

Repaso de unidades

En este apartado repasaremos las unidades y fórmulas necesarias para realizar los problemas de este tema.

Sistema internacional de unidades

Estas son algunas de las unidades del sistema internacional que es necesario conocer para la resolución de problemas de este tema.

Unidades básicas

Magnitud física que se toma como fundamental	Unidad básica o fundamental	Símbolo
Longitud ( L )	metro	m
Masa ( M )	kilogramo	kg
Tiempo ( t )	segundo	s
Intensidad de corriente eléctrica ( I )	amperio	A
Temperatura ( T )	kelvin	K

Unidades derivadas

Magnitud física	Nombre de la unidad	Símbolo de la unidad	Expresada en unidades derivadas	Expresada en unidades básicas
Frecuencia (f)	Hercio	Hz		s-1
Fuerza (F)	Newton	N		m·kg·s-2
Energía (E), Trabajo (W), calor (Q)	Julio	J	N·m	m2·kg·s-2
Potencia (P)	Watio	W	J·s-1	m2·kg·s-3
Voltaje o Tensión eléctrica (V)	Voltio	V	J·C-1	m2·kg·s-3·A-1
Resistencia eléctrica (R)	Ohmio	Ω	V·A-1	m2·kg·s-3·A-2
Capacidad eléctrica (C)	Faradio	F	C·V-1	m-2·kg-1·s4·A2
Inductancia (L)	Henrio	H	V·A-1·s	m2·kg·s-2·A-2
Área (A)	Metro cuadrado		m2	m2
Volumen (V)	Metro cúbico		m3	m3
Velocidad (v)				m·s-1
Aceleración (a)				m·s-2

Otras unidades habituales

En muchos problemas y situaciones habituales nos encontraremos con otras unidades diferentes a las anteriores y es importante conocer su equivalencia.

Magnitud física	Unidad	Equivalencia
Masa (M)	Unidad de masa atómica (u) ó Dalton (Da)	1u = 1 Da = 1,660 538 921 (73) × 10-27 kg
Velocidad (v)	km/h	1m/s = 3,6 km/h
Fuerza (F)	Kilopondio (kp)	1kp = 9,8N
Fuerza (F)	dina	1N = 105dinas
Energía (E), Trabajo(W)	Kilográmetro (kgm)	1kgm = 9,8J
Energía (E), Trabajo(W)	ergio (erg)	1J = 107erg
Energía (E), Trabajo(W), Calor (Q)	Caloría (Cal)	1Cal = 4,18J
Energía (E), Trabajo(W)	Watio hora (Wh)	1Wh = 3600J
Energía (E)	Electrón-Voltio (eV)	1eV = 1,602176462 × 10-19 J
Potencia (P)	Caballo de Vapor	1CV = 735W
Temperatura (T)	Grado centígrado (ºC)	1ºC = 273,15K

Prefijos del Sistema Internacional

1000n	10n	Prefijo	Símbolo	Escala corta	Escala larga	Equivalencia decimal en los Prefijos del Sistema Internacional	Asignación
10008	1024	yotta	Y	Septillón	Cuatrillón	1 000 000 000 000 000 000 000 000	1991
10007	1021	zetta	Z	Sextillón	Mil trillones	1 000 000 000 000 000 000 000	1991
10006	1018	exa	E	Quintillón	Trillón	1 000 000 000 000 000 000	1975
10005	1015	peta	P	Cuatrillón	Mil billones	1 000 000 000 000 000	1975
10004	1012	tera	T	Trillón	Billón	1 000 000 000 000	1960
10003	109	giga	G	Billón	Mil millones / Millardo	1 000 000 000	1960
10002	106	mega	M	Millón		1 000 000	1960
10001	103	kilo	k	Mil / Millar		1 000	1795
10002/3	102	hecto	h	Cien / Centena		100	1795
10001/3	101	deca	da	Diez / Decena		10	1795
10000	100	ninguno		Uno / Unidad		1
1000−1/3	10−1	deci	d	Décimo		0,1	1795
1000−2/3	10−2	centi	c	Centésimo		0,01	1795
1000−1	10−3	mili	m	Milésimo		0,001	1795
1000−2	10−6	micro	µ	Millonésimo		0,000 001	1960
1000−3	10−9	nano	n	Billonésimo	Milmillonésimo	0,000 000 001	1960
1000−4	10−12	pico	p	Trillonésimo	Billonésimo	0,000 000 000 001	1960
1000−5	10−15	femto	f	Cuatrillonésimo	Milbillonésimo	0,000 000 000 000 001	1964
1000−6	10−18	atto	a	Quintillonésimo	Trillonésimo	0,000 000 000 000 000 001	1964
1000−7	10−21	zepto	z	Sextillonésimo	Miltrillonésimo	0,000 000 000 000 000 000 001	1991
1000−8	10−24	yocto	y	Septillonésimo	Cuatrillonésimo	0,000 000 000 000 000 000 000 001	1991

Fórmulas o expresiones

Energía cinética (E_c)

La energía cinética de un cuerpo es aquella que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada.

$E_{c}={\frac {1}{2}}mv^{2}.$

Donde:

$E_{c}$, es la energía cinética

$m$, es la masa del cuerpo

$v$, es la velocidad de la masa

Energía potencial

Energía potencial gravitatoria (E_p)

La energía potencial gravitatoria es la energía asociada con la fuerza gravitatoria. Esta dependerá de la altura relativa de un objeto a algún punto de referencia, la masa, y la fuerza de la gravedad. En los que la variación de la gravedad es insignificante, se aplica la fórmula:

$E_{p}=mgh$

Donde:

$E_{p}$, es la energía potencial

$m$, es la masa del cuerpo

$g$, es la aceleración de la gravedad (≈9,8m/s²)

$\ h$, es la altura de la masa

Energía potencial elástica (E_px)

La energía potencial elástica o energía de deformación es el aumento de energía interna acumulada en el interior de un sólido deformable, por ejemplo un muelle, como resultado del trabajo realizado por las fuerzas que provocan la deformación. Si el muelle es ideal se cumple la ley de Hooke:

$F=-kx$

En este caso la energía potencial elástica viene dada por la expresión:

$E_{px}={\frac {1}{2}}kx^{2}$

Donde:

$F$, es la fuerza aplicada o producida por el sólido elástico

$E_{px}$, es la energía potencial elástica

$k$, es la constante elástica del sólido (unidades en el SI: N/m)

$x$, es la deformación del sólido elástico

Energía mecánica (E_mec)

La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un sistema mecánico. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.

Para sistemas abiertos formados por partículas que interaccionan mediante fuerzas puramente mecánicas la energía se mantiene constante con el tiempo:

$E_{mec}=E_{c}+E_{p}+Ep_{x}={\mbox{cte.}}\,$.

Donde:

$E_{c}\,$, es la energía cinética del sistema.

$E_{p}\,$, es la energía potencial gravitacional del sistema.

$E_{px}\,$, es la energía potencial elástica del sistema.

Energía química

La energía en forma de calor desprendida por algunas las sustancias como los combustibles (reacciones exotérmicas de oxidación) se calcula a través de su poder calorífico (P_c) el cual se expresa en kCal/kg ó kCal/m³.

$Q=mP_{c}$ ó $Q=VP_{c}$ dependiendo si el poder calorífico está expresado por unidad de masa o volumen.

Energía eléctrica

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos —cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico— y obtener trabajo. Se calcula mediante el producto de la potencia eléctrica y el tiempo:

$E=Pt$

$P=VI$

Donde:

$E$, es la energía eléctrica

$P$, es la potencia eléctrica

$t$, es el tiempo de funcionamiento del dispositivo eléctrico

$V$, es la tensión, voltaje o diferencia de potencial eléctrico en los bornes del dispositivo

$I$, es la corriente o intensidad eléctrica que circula a través del dispositivo

Energía nuclear

La equivalencia entre la masa y la energía viene dada por la expresión de la teoría de la relatividad de Einstein. Esta relación se utiliza comúnmente para explicar cómo se produce la energía nuclear: midiendo la masa de núcleos atómicos y dividiendo por el número atómico se puede calcular la energía de enlace atrapada en los núcleos atómicos. Paralelamente, la cantidad de energía producida en la fisión de un núcleo atómico se calcula como la diferencia de masa entre el núcleo inicial y los productos de su desintegración, multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.

$E=m\cdot c^{2}$

Donde:

$E$, es la energía producida en la reacción nuclear o energía de enlace atrapada en un núcleo atómico

$m$, es la masa transformada en energía

$c$, es la velocidad de la luz en el vacío: 3·10⁸ m/s

Rendimiento (η)

Rendimiento o eficiencia energética de un dispositivo, máquina, ciclo termodinámico, etc., expresa el cociente entre el trabajo realizado (energía útil u obtenida) en su funcionamiento y la energía suministrada o consumida por la máquina o el proceso:

$\eta ={W_{\mathrm {obtenido} } \over E_{\mathrm {suministrada} }}$

Donde:

$\eta$, representa el rendimiento

$E$, la energía

$W$, el trabajo.

Otras expresiones

Trabajo en mecánica clásica

En mecánica clásica se define el trabajo como el producto de la fuerza aplicada sobre un cuerpo por la distancia que recorre el punto de aplicación por el coseno del ángulo que forman las direcciones de ambos vectores:

$W=Fd\cos \alpha$

Potencia

La potencia se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo:

$P={\frac {W}{t}}$

Fuerza

Si la masa permanece constante, la fuerza se puede definir por la expresión tradicional de la segunda ley de Newton:

$F={m}{a}$

Movimiento rectilíneo uniforme

Cuando la velocidad $v$ es constante (no existe aceleración) la posición $x$ en cualquier instante $t$ viene dada por:

$x=x_{0}+vt$

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado

El MRUA, como su propio nombre indica, tiene una aceleración constante, cuyas relaciones son:

$v(t)=at+v_{0}\,$

$x(t)={\frac {1}{2}}at^{2}+v_{0}t+x_{0}$

$v^{2}=2a(x-x_{0})+v_{0}^{2}\,$

Ley de Ohm

La ley de Ohm establece que la intensidad eléctrica que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos, existiendo una constante de proporcionalidad entre estas dos magnitudes.

$I={\frac {V}{R}}$

Transformaciones de Energía

• La energía mecánica

1. Energía eléctrica
2. Energía calorífica

• Energía eléctrica

1. Energía mecánica
2. Energía química
3. Energía calorífica
4. Energía radiante (luminosa)

• Energía química

1. Energía eléctrica
2. Energía radiante
3. Energía mecánica

• Energía calorífica

1. Energía mecánica
2. Energía eléctrica
3. Energía química

• Energía nuclear

1. Energía calorífica

Enlaces externos

• Portal Energía
• Comisión Nacional de Energía de España
• IDAE - instituto para la diversificación y el ahorro de energía (de España)
• Unidades básicas
• Prefijos del Sistema Internacional
• Cómo escribir fórmulas en páginas wiki.