ENERGÍA POTENCIAL Y CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
- Energía potencial gravitacional
En un sistema físico, la energía potencial es energía que
mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función
exclusivamente de su posición o configuración. Puede pensarse como la energía
almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede
entregar. Suele abreviarse con la letra U
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.
Por ejemplo: si un libro apoyado en una mesa es elevado, una
fuerza externa estará actuando en contra de la fuerza gravitacional. Si el
libro cae, el mismo trabajo que el empleado para levantarlo, será efectuado por
la fuerza gravitacional.
De acuerdo a la fórmula, la energía potencial está
relacionada con la masa del cuerpo y con la posición que ocupa; cuanto más
grande sea la masa del cuerpo, y cuanto mayor sea la altura a la que se
encuentre, tanto mayor será su Energía potencial gravitacional.
La fórmula que te permite calcular la energía potencial
gravitatoria que posee un cuerpo es:
Donde:
Ep = energía potencial gravitatoria medida en J.
m = masa medida en kg.
g = aceleración de la gravedad medida en m/s2
h = altura medida respecto al piso (cero de referencia) en
m.
2.-Energía
potencial elástica
Un cuerpo elástico es aquel cuerpo deformable que recupera
su forma y tamaño originales después de deformarse . La deformación de éstos
cuerpos es causada por una fuerza externa que actúa sobre ellos.
Para definir la energía potencial elástica se introduce el
concepto de un resorte ideal, que es aquel que se comporta como un cuerpo
elástico, ejerciendo una fuerza en su proceso de deformación
Es la energía acumulada en un cuerpo elástico tal como un
resorte.
Se calcula como:
K = Constante del resorte
Δx = Desplazamiento desde la posición normal
Epe = Energía potencial elástica
3.-Fuerzas
conservativas y no conservativas
Dentro de las fuerzas que sí realizan trabajo encontramos
dos grupos, las fuerzas conservativas y las no conservativas.
Fuerzas Conservativas
Sólo las fuerzas conservativas dan lugar a la energía
potencial. El cálculo del trabajo realizado por fuerzas conservativas se reduce
a una simple resta:
Wfcons=−∆Ep
- El trabajo realizado por las fuerzas conservativas a lo largo de un camino cerrado es cero
- Cuando movemos un cuerpo venciendo una fuerza conservativa que se opone, el trabajo realizado aumenta la energía potencial del cuerpo
- Las fuerzas conservativas conservan la energía mecánica del sistema (por ejemplo la fuerza gravitatoria)
- Las fuerzas no conservativas o disipativas disipan la energía mecánica del sistema (por ejemplo la fuerza de rozamiento)
Fuerzas No
Conservativas
Vamos a calcular el trabajo realizado por la fuerza de
rozamiento, que es una fuerza no conservativa o disipativa, en las dos
situaciones de la figura. Se trata en ambos de un desplazamiento horizontal y
el valor de la fuerza de rozamiento viene dado por
Fr=μ⋅N=μ⋅m⋅g .
Conclusión
Como vemos, en cada uno de los casos el trabajo realizado
por la fuerza de rozamiento es distinto. Podemos concluir que la fuerza de
rozamiento no es conservativa sino disipativa, al depender el trabajo realizado
por la misma de la trayectoria seguida por el cuerpo.
4.- Fuerza y energía potencial
FUERZA
El diccionario de la Real Academia Española (RAE) reserva
dieciséis definiciones para la palabra fuerza, un término derivado del latín
fortia. Según la RAE, la fuerza describe la fortaleza, la robustez, el poder y
la habilidad para sacar o desplazar de lugar a algo o a alguien que posea peso
o que ejerza resistencia (por ejemplo, se necesita fuerza para sostener una
roca); la canalización concreta del poder físico o moral (“Tiene mucha fuerza,
podrá recuperarse de esta desgracia”); la capacidad para resistir un empuje o
soportar un peso (como la fuerza de unas columnas); las características
intrínsecas que los objetos tienen por sí mismos; y el acto de obligar a
alguien a que haga algo.
La energía potencial es el tipo de energía mecánica asociada
a la posición o configuración de un objeto. Podemos pensar en la energía
potencial como la energía almacenada en el objeto debido a su posición y que se
puede transformar en energía cinética o trabajo. El concepto energía potencial,
U, se asocia con las llamadas fuerzas conservadoras. Cuando una fuerza
conservadora, como la fuerza de gravedad, actúa en un sistema u objeto; la
energía cinética ganada (o perdida) por el sistema es compensada por una
perdida (o ganancia) de una cantidad igual de energía potencial. Esto ocurre
según los elementos del sistema u objeto cambia de posición.
Una fuerza es conservadora si el trabajo realizado por ésta
en un objeto es independiente de la ruta que sigue el objeto en su
desplazamiento entre dos puntos. Otras fuerzas conservadoras son: la fuerza
electrostática y la fuerza de restauración de un resorte.
Se define la energía potencial como:
U = mgh
Donde m es la masa del objeto, g es la aceleración de
gravedad y h es la altura del objeto. Así que según la pelota cae, su energía
potencial disminuye por virtud de la reducción en la altura.
Podemos definir la energía total de la pelotaa como la suma
de la energía cinética y la potencial.
ET = K + U
Como la energía permanece constante, entonces la energía
total inicial es igual a la energía total final.
ETi = ETf
Por lo que entonces la suma de la energía cinética inicial y
la potencial inicial debe ser igual a la suma de la energía cinética final y la
energía potencial final.
Ki + Ui = Kf + Uf
o sea
½ mvi² + mghi = ½
mvf² + mghf
5.- Diagramas de energía
Una de las características de una transformación química es
la variación de energía. La energía total de los productos no es idéntica
a la de los reactantes. Esto se debe a
que necesitamos energía para romper los enlaces de los reactivos y se obtiene
otra cantidad al formarse los enlaces de los productos.
Realmente no podemos conocer cuánta energía total tiene una
sustancia pero sí somos capaces de saber cuál ha sido la variación en una
reacción. El estudio se suele realizar a presión constante y, en este caso, la
variación de energía se denomina variación de entalpía que denotamos con ΔH.
Esto se entiende mucho mejor viendo los "diagramas de
energía". Son gráficas de la energía frente al avance de la reacción.
Antes de verlas debemos conocer un par de conceptos más.
Siempre es necesaria una cierta cantidad de energía para que
se produzca la reacción (recuerda que se deben romper enlaces). A esa cantidad
de energía la llamamos "energía de activación".
En el momento en el
que se están rompiendo enlaces de los reactivos también se están formando los
de los producto. Esta situación se denomina "complejo activado".
A continuación podrás ver todas estas definiciones
reflejadas en los diagramas de energía. Como vimos, nos encontramos con dos
posibilidades: que se desprenda energía o que se absorba.
- Reacciones exotérmicas: Son las que desprenden energía ya que el nivel energético total de los productos es menor que el de los reactivos.
- Reacciones endotérmicas: La energía de los reactantes es menor que la de los productos por lo que se absorbe esa diferencia de energía.
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