TEMA 14

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© Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 14
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TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA
(Oposiciones de Enseñanza Secundaria)
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TEMA 14
LA ENERGÍA Y SU TRANSFERENCIA. RELACIÓN TRABAJO-ENERGÍA.
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. EVOLUCIÓN EN LAS NE-
CESIDADES ENERGÉTICAS DE LA SOCIEDAD. REPERCUSIONES MEDIO-
AMBIENTALES. ENERGÍAS ALTERNATIVAS.
Esquema
1. Trabajo y Energía.
1.1. Introducción histórica a la energía.
1.2. Concepto de Trabajo de una fuerza.
1.2.1. Definición. Trabajo como definición de F
r
.
1.3. Potencia. Definición y unidades.
1.4. Energía.
1.5. Energía Cinética.
1.5.1. Teorema de las fuerzas vivas.
2. Campo de Fuerzas. Fuerzas conservativas.
2.1. Concepto de Campo de Fuerzas.
2.2. Concepto de Intensidad de Campo.
2.3. Campo de Fuerzas Conservativas.
2.3.1. Concepto de Energía Potencial.
2.3.2. La energía potencial como energía de configuración.
3. Principio de Conservación de la Energía.
3.1. El trabajo como transformación de la energía.
3.2. Transferencias de energía.
3.3. Conservación de la energía mecánica. Fuerzas conservativas.
3.4. Curvas de Energía Potencial.
3.5. Fuerzas no-conservativas. Energía Interna.
3.6. Conservación de la Masa-Energía.
4. La energía a lo largo de la historia.
4.1. La energía en la antigüedad.
4.2. La máquina de vapor.
4.3. La electricidad.
4.4. La energía nuclear.
4.5. Evolución de los combustibles.
5. La Energía en la sociedad actual.
5.1. Formas de energía
5.2. Fuentes de energía.
5.3. Energía eléctrica. Su desarrollo.
6. Repercusiones medioambientales.
6.1. Carbón
6.2. Petróleo.
6.3. Uranio.
6.4. Contaminación por centrales eléctricas (convencionales y nucleares).
7. Energías Alternativas de recursos renovables.
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TEMA 14
LA ENERGÍA Y SU TRANSFERENCIA. RELACIÓN TRABAJO-ENERGÍA.
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. EVOLUCIÓN EN LAS NE-
CESIDADES ENERGÉTICAS DE LA SOCIEDAD. REPERCUSIONES MEDIO-
AMBIENTALES. ENERGÍAS ALTERNATIVAS.
1. TRABAJO Y ENERGÍA
1.1. Introducción histórica a la energía.
El desarrollo histórico de la energía fue lento y tortuoso. Debió de transcurrir más
de siglo y medio desde que se vislumbró la idea de energía hasta que se estableció en el
modo en que lo entendemos actualmente. Las raíces de este concepto hay que buscarlas
en el siglo XVII y fue Christian Huygens (1629-1695) quien lo intuyó por primera vez
cuando trataba de establecer las reglas por las que se regía el choque elástico entre dos
cuerpos rígidos.
Isaac Newton basó sus estudios en los trabajos de Huygens acerca del momento
lineal (cantidad de movimiento) de los cuerpos colisionantes en un choque elástico, para
establecer la tercera ley del movimiento. Se sabía que, independientemente del tipo de
colisión, el momento lineal se mantenía constante, es decir, sería el mismo antes y des-
pués del choque.
Aquí Huygens propuso la siguiente regla para las colisiones elásticas: la suma,
extendida a todos los cuerpos colisionantes, del producto de la masa de cada uno de
ellos por el cuadrado de su velocidad permanece constante. A la magnitud mv2 se le dio
el nombre de "vis viva” y es lo que actualmente se conoce como energía cinética.
1.2. Concepto de Trabajo de una Fuerza.
1.2.1. Definición. Trabajo como circulación de F
r
Las fuerzas que actúan sobre las partículas y que le producen movimientos, pue-
den ser de diversa naturaleza y además pueden ser variables con el tiempo y con la posi-
ción de cada partícula. En el caso de fuerzas variables con el tiempo, es decir, F=f(t),
resulta útil el concepto de Impulso Lineal, ya que así es posible determinar la velocidad
de la partícula en cualquier instante. Pero en el caso de fuerzas variables con la posición
de la partícula, la función es del tipo )(rfF
rr = , y para poder determinar el movimiento
de la partícula es necesario definir el concepto de trabajo.
Para ello, consideremos una partícula de masa m, que
se mueve por la acción de una fuerza F
r
, describiendo una
trayectoria A-B. Para un desplazamiento infinitesimal rd
r
 a
lo largo de su trayectoria, en un intervalo de tiempo dt muy
pequeño, se define el trabajo elemental como el producto
escalar de la fuerza aplicada F
r
, por el camino recorrido
rd
r
, es decir: rdFdW
rr •=
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y desarrollando el producto escalar:
ϑcos..dsFdW =
siendo ϑ el ángulo que forma la fuerza F
r
con el desplazamiento rd
r
 que coincide con
el elemento de trayectoria recorrido ds.
Para un desplazamiento finito, de A a B en el
que la fuerza es variable, se descompone la trayecto-
ria en elementos infinitesimales ...,, ,321 rdrdrd
rrr
 en los
que supondremos constantes las fuerzas actuantes
,...,, 321 rdrdrd
rrr
 El trabajo total será:
∑ ∑ ∆•=∆= iii rFWW r
r
y pasando a desplazamientos infinitesimales, resulta 
∫ •=
B
A
rdFW
rr
para realizar la integración se ha de conocer la variación de la fuerza con la posición, o
sea: )(rfF
rr = y la ecuación de la trayectoria del móvil desde A hasta B.
Como se trata de magnitudes vectoriales la ecuación del trabajo puede escribirse
en función de sus componentes escalares:
kFjFiFF zyx
rrrr
++= y siendo kdzjdyidxrd
rrrr
... ++=
resulta: ( )∫ ++=
B
A zyx
dzFdyFdxFW
y considerando el desarrollo del producto escalar, el trabajo puede expresarse así:
∫=
B
A
dsFW ϑcos..
donde observamos que el trabajo realizado será máximo cuando ϑ=0º , es decir, cuando
la línea de acción de la fuerza coincide con el vector desplazamiento. Y será nulo si
ϑ=90º (π/2 radianes), o sea cuando la fuerza y el desplazamiento son perpendiculares
como es el caso de una partícula que gira con movimiento circular uniforme sometido a
una fuerza centrípeta.
Si consideramos las componentes intrínsecas de la fuerza:
ntNT uR
v
mu
dt
dv
mFFF
rrrrr 2+=+=
el trabajo se expresará pues así:
( )∫ ∫ ∫ ∫ •=•+•=•+=
B
A
B
A
B
A
B
A TNTNT
rdFrdFrdFrdFFW
rrrrrrrrr
con lo cual vemos que el trabajo de una fuerza se debe únicamente a la componente
tangencial de dicha fuerza pues el trabajo debido a la componente normal NF
r
 es nulo
porque su línea de acción coincide con rd
r
y entonces ϑ=0º.
Si la fuerza aplicada es constante, tanto en módulo como en dirección y sentido, la
trayectoria descrita por la partícula para ir desde A hasta B es rectilínea y el trabajo rea-
lizado vendrá dado por:
∫ ∫ =•=•=•=
B
A
B
ATT
SFsFrdFrdFW ϑcos..r
rrrrr
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que es la definición sencilla de trabajo físico introducida en la física elemental, como
producto de la fuerza por el espacio recorrido en el caso de que la fuerza tenga la misma
dirección que el desplazamiento.
La unidad de Trabajo en el S.I. es el Julio (=N.m=Kg.m2/s2) que se define como
el trabajo efectuado por una fuerza de 1 Newton actuando sobre una partícula que se
mueve 1 metro en la dirección de la fuerza. La ecuación dimensional del trabajo es:
[ ] 22 −= TMLW
En el sistema cegesimal (C.G.S.), ya en desuso, la unidad de trabajo es el Ergio:
1 Ergio = 1 dina.cm 1 Julio = 107 ergios
1.3. Potencia. Definición y Unidades.
La eficacia de la fuerza en la producción del trabajo dependerá del tiempo em-
pleado en realizarlo, así tendremos que, de dos fuerzas que realizan el mismo trabajo,
será más eficaz aquella que lo realice en menos tiempo. Al considerar el tiempo en la
producción de trabajo, ha de introducirse una nueva magnitud llamada Potencia, que se
define como el trabajo realizado en la unidad de tiempo:
dt
dW
P = (potencia instantánea)
considerando que el trabajo elementaldW es: dW= rdF
rr • resultará:
ϑcos..vFvF
dt
rd
F
dt
rdF
dt
dW
P =•=•=•== r
rrrr
r
y vemos que la potencia también puede expresarse como el producto escalar del vector
fuerza por el vector velocidad.
El concepto de potencia es muy importante en las aplicaciones prácticas, sobre to-
do en mecánica aplicada y en ingeniería, ya que lo que importa es la rapidez con que se
efectúa un trabajo, más que la cantidad de este trabajo.
La unidad de Potencia en el S.I. es el Watío, que se define como la potencia de
una máquina que efectúa el trabajo de 1 julio durante 1 segundo:
1 Watio = 1 Julio/1 s = 1 Julio/s = 1 Kg.m2/s3.
y la ecuación dimensional es: [P] = ML2T-3
Son también frecuentemente empleados los múltiplos del watio:
1 Kilowatio (KW) = 1000 W = 103 W
1 Megawatio (MW) = 1000000 W = 106 W
El Kilowatio-Hora (KWH), popularizado por las compañías eléctricas es una uni-
dad de trabajo y expresa el trabajo efectuado durante una hora por una máquina cuya
potencia es de 1000 watios y equivale a:
1 KWH = 1000 watios.3600 s = 3’6.106 Julios
1.4. Energía.
Cuando un cuerpo recibe la acción de una fuerza y se produce trabajo sobre él,
experimenta una variación en su estado que le capacita para producir trabajo equivalente
al que se ha realizado sobre él; así al volver a su estado inicial puede producir trabajo
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sobre otros cuerpos. Tal es el caso de un cuerpo que se eleva, por la acción de una fue r-
za, contra la gravedad, hasta una cierta altura y al caer puede realizar trabajo sobre otros
cuerpos ligados a él, por ejemplo, mediante una polea o un plano inclinado. Igualmente
el cuerpo elevado puede producir trabajo en choques con otro cuerpo moviéndolo o de-
formándolo.
Al realizar trabajo sobre un cuerpo, éste ha adquirido la capacidad de efectuar, a
su vez, trabajo sobre otros cuerpos, capacidad que dependerá de su posición, de su mo-
vimiento o de su propia constitución. Esta capacidad recibe genéricamente el nombre de
Energía.
La energía que posee un cuerpo en razón de encontrarse en movimiento, recibe el
nombre de Energía Cinética. Así, un automóvil, un proyectil, el agua que cae por una
cascada, el aire en movimiento, etc. poseen energía en el sentido de que tienen la posi-
bilidad de realizar trabajo durante el proceso que los lleve al reposo.
La energía que posee un cuerpo merced a la posición que ocupa o a la posición a
la que ha sido llevado por la acción de la fuerza externa se denomina Energía Potencial,
y esta energía implica la existencia de un campo de fuerzas (como veremos más ade-
lante). Ejemplo de este tipo de energía: un volumen de agua situado en la parte alta de
un pantano tiene, como consecuencia de su posición, la posibilidad de producir trabajo,
moviendo la rueda de una turbina situada en la parte baja de la presa.
Y por último, la energía que posee un cuerpo en razón de su propia constitución
molecular se denomina Energía Interna, como es el caso de un explosivo que estalla, un
fluido que se enfría, un gas que se expansiona, etc.
En cualquier caso, siempre podemos pensar en la energía como resultado de la
realización de un trabajo; así, podemos definir la energía a través del trabajo que se ha
realizado previamente sobre el cuerpo o el sistema material. Por lo tanto las unidades en
que viene expresada la energía son las mismas que las del trabajo, el Julio, en el Sistema
Internacional.
1.5. Energía Cinética.
La energía cinética es la energía que contiene un cuerpo por la velocidad que po-
see y puede determinarse midiendo el trabajo realizado por una fuerza aplicada para
detener el cuerpo hasta la situación de v=0. Recíprocamente, si un cuerpo es sometido a
una fuerza variable y describe una trayectoria desde un punto inicial a otro final, desde
una situación de reposo hasta adquirir una velocidad v. el trabajo realizado sobre el
cuerpo vendrá dado por la integral:
∫ •=
b
a
rdFW
rr
que considerando las componentes intrínsecas de la fuerza, resultará:
∫ ∫=•=
b
a
b
a TT
dsFrdFW .
rr
ya que ϑcos..dsFrdF =• r
r
 y =ϑ 0º, por lo que cos0º=1. No hemos tenido en cuenta
el trabajo debido a la componente normal de la fuerza, porque al ser ésta perpendicular a
rd
r
, se anula pues entonces es =ϑ 90° y cos90°=0.
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Por la segunda ley de Newton sabemos que FT=m. dv/dt y sustituyendo en la ex-
presión del trabajo, tendremos:
ECmv
v
mdvvmdv
dt
ds
mds
dt
dv
mdsFW
v
o
vb
a
b
a
b
aT
==





===== ∫∫∫ ∫ 2
2
0 2
1
2
..
Así hemos obtenido la expresión de la Energía Cinética de un cuerpo de masa m
que, estando inicialmente en reposo, adquiere una velocidad v por aplicación de una
fuerza.
1.5.1. Teorema de las Fuerzas Vivas.
Si sobre un cuerpo inicialmente con velocidad v1 constante, actúa una fuerza, le
produce una aceleración que incrementa su velocidad, según establece la Segunda ley
de Newton y en el desplazamiento, le produce un trabajo que se acumula como incre-
mento de la energía cinética del cuerpo; al cesar la fuerza, el cuerpo vuelve a movi-
miento uniforme de velocidad v2 constante, cumpliéndose:
ECECECmvmv
v
mdvvmW
v
v
v
v
∆=−=−=





== ∫ 122122
2
2
1
2
1
2
.
2
1
2
1
es decir, "el trabajo efectuado sobre una partícula, es igual a la variación que experi-
menta su energía cinética". Este enunciado constituye lo que antiguamente se denomi-
naba como Teorema de las Fuerzas Vivas y matemáticamente se expresa:
W=∆EC
Este teorema también se conoce como Teorema del Trabajo y Teorema de la
Energía Cinética, y tiene validez general cualquiera que sea la naturaleza de la fuerza o
fuerzas que actúen sobre la partícula. La Energía Cinética es una magnitud física escalar
esencialmente positiva que se mide en las mismas unidades que el trabajo, esto es, en
Julios (en el S.I.).
2. CAMPO DE FUERZAS. FUERZAS CONSERVATIVAS
2.1. Concepto de Campo de Fuerzas.
La Energía potencial (gravitatoria) es la energía que posee un cuerpo por la posi-
ción que ocupa en el espacio en las proximidades de la Tierra y que al dejarlo libre, de-
sarrolla dicha energía como energía cinética cayendo hacia la Tierra.
Para definir así esta energía, hemos de admitir que existen unas fuerzas gravitato-
rias producidas por la Tierra que obligan a caer al cuerpo y que son las responsables de
que un cuerpo que ha sido elevado por una fuerza que realiza trabajo sobre él, adquiera
por tanto, una Energía Potencial, es decir una energía susceptible de transformarse en
otra (cinética) cuando cese la fuerza que le produce el trabajo. Hemos de pensar que
existe un campo de fuerzas alrededor de la Tierra, que es donde se cumplen las circuns-
tancias descritas. De no existir un campo de fuerzas, no puede definirse este concepto.
Se dice que en una región del espacio existe un campo de fuerzas cuando al situar
un cuerpo en cualquiera de sus puntos, instantáneamente se encuentra sometido a una
fuerza. Ejemplos de Campos de Fuerzas los tenemos en el Campo Gravitatorio terrestre,
en el cual, al colocar un cuerpo en cualquier lugar de él, aparece instantáneamente la
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fuerza peso que tiende a llevarlo hacia el suelo en dirección vertical. También el Campo
Eléctrico, en el que basta colocar en cualquiera de sus puntos una carga eléctrica, para
que se vea inmediatamente sometida a una fuerza que le obliga a moverse hacia la carga
de signo opuesto.
Para interpretar la existencia de las fuerzas de los campos de fuerzas sin contacto
físico y justificar que actúen instantáneamente sobre el cuerpo, no puede admitirse el
viejo concepto de fuerzas de acción a distancia que implicaría una propagación a velo-
cidad infinita. El máximo de velocidad alcanzable por unapartícula o una onda es la
velocidad de la luz (c= 3.108 m/s) y aunque es muy grande es finita, por tanto si la "Ac-
ción a Distancia" se propagase a esta velocidad, un cuerpo situado lejos de la Tierra
recibiría la acción gravitatoria después de un cierto tiempo necesario para propagarse y
no caería instantáneamente, lo que contradice la realidad observada, ya que la acción
gravitatoria es instantánea, igual que ocurre con otras acciones como las existentes entre
cargas eléctricas, polos magnéticos, etc.
Para resolver el problema, se desechó el concepto de fuerza de acción a distancia
y se consideró la existencia de una "perturbación" permanente en el espacio alrededor
del cuerpo, creada por una propiedad intrínseca del cuerpo (magnitud activa), perturba-
ción que se denomina "Campo de Fuerzas" Así, la Tierra, crea a su alrededor un Campo
de Fuerzas que interactúa con los cuerpos situados en sus proximidades.
Un campo de fuerzas se representa por las llamadas Líneas de Fuerza, que son lí-
neas virtuales trazadas en su interior y que dan una imagen gráfica de la forma del cam-
po. Pueden definirse como aquellas líneas que en todos sus puntos son tangentes al
vector que representa la magnitud vectorial del campo.
2.2. Concepto de Intensidad de Campo.
La fuerza a que se encuentra sometido un cuerpo dentro del campo de fuerzas,
suele ser distinta para el mismo cuerpo en diferentes puntos del campo, pero resulta
proporcional, en un punto dado, a un coeficiente A característico del cuerpo y que lla-
maremos Magnitud Activa.
En el campo gravitatorio la magnitud activa es la masa, y en el campo eléctrico,
será la carga. Podemos escribir entonces: F = E. A
siendo F la fuerza del campo, A la magnitud activa y E es una magnitud independiente
de A que llamaremos Intensidad del Campo.La expresión anterior es vectorial y la de-
bemos escribir: EAF
rr
.=
En el Campo gravitatorio el vector AFE
rr
= , en cada punto del campo, representa
la fuerza gravitatoria que aparece en dicho punto, por unidad de masa colocada en el
punto. Tiene la misma dirección y sentido que F
r
 y constituye un campo vectorial inde-
pendiente de la masa.
En el Campo Eléctrico el vector E
r
 representa la fuerza eléctrica ejercida por el
campo sobre la unidad de carga; tiene la misma dirección que la fuerza y tienen el mis-
mo sentido o sentido contrario según que la carga sea positiva o negativa.
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En todos los casos, el vector Intensidad del Campo depende exclusivamente de las
coordenadas del punto, es decir, de la posición: ),,( zyxfE
rr
=
Como resulta evidente, la perturbación del espacio que supone la creación de un
campo lleva consigo la realización de un trabajo previo, el cual se acumula en el espacio
perturbado en forma de energía originando posteriormente el movimiento de los cuerpos
situados en el interior del campo.
2.3. Campo de Fuerzas Conservativas.
Consideremos un campo de fuerzas definido por el vector
A
F
E
r
r
=
En dicho campo el trabajo realizado por la fuerza F
r
 cuando actúa sobre el cuerpo
y lo traslada desde una posición A a otra B a lo largo de una trayectoria arbitraria es:
∫ •=
B
A
rdFW
rr
En general, este trabajo depende de la trayectoria seguida por el cuerpo para des-
plazarse desde el punto inicial A hasta el final B.
En algunos casos muy importantes, el campo de
fuerzas es de tal naturaleza que el valor de la integral
anterior es independiente de la trayectoria que siga el
cuerpo y sólo depende de las posiciones inicial y final.
Dichos campos se llaman Campos Conservativos, pues
en ellos la energía puesta en juego en desplazamientos
entre los mismos puntos inicial y final, es la misma y el
trabajo realizado en una trayectoria cerrada (donde el
punto inicial y el final coinciden) es nulo, o sea:
∫ =•= 0rdFW
rr
 Condición de Campo Conservativo
Una partícula que se mueva en una trayectoria cerrada en el interior de un campo
conservativo no pierde ni gana energía, por ejemplo, el movimiento de los planetas es
una prueba de ello, pues describen órbitas estables en un campo gravitatorio (conserva-
tivo) sin que el sistema incremente su energía.
2.3.1. Concepto de Energía Potencial.
Si la partícula se mueve de A a B por la trayectoria I y luego se desplaza de B a A
por la trayectoria II, se cumplirá, en un campo conservativo:
∫ ∫ ∫ =•+•=•=
B
IA
A
IIB
rdFrdFrdFW
)( )(
0
rrrvrr
luego: ∫ ∫∫ •=•−=•
B
IA
B
IIA
A
IIB
rdFrdFrdF
)( )()(
rrrrrr
lo que indica que el trabajo no depende de la trayectoria y sí de la posición inicial y de
la final, por ello asignaremos a estos puntos una cantidad de energía, función de la posi-
ción, tal que su diferencia sea el trabajo que realiza el campo al desplazarse la partícula
desde A hasta B, es decir:
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∫ −=•=
B
A BA
EPEPrdFW
rr
Esta energía, función de la posición, se llama Energía Potencial y la ecuación
anterior nos da la variación de la Energía Potencial mediante el trabajo efectuado de A a
B. Para determinar la Energía Potencial absoluta de un cuerpo de magnitud activa A,
situado en un punto definido sor el vector de posición ),,( zyxfr
rr = despejaremos de la
expresión anterior por ejemplo, el término de B:
∫ •−=
B
AAB
rdFEPrEP
rrr
)(
o sea, la Energía Potencial en B es igual a la Energía Potencial del cuerpo cuando está
en A, punto que tomaremos como referencia, menos el trabajo realizado al pasar el
cuerpo desde el punto de referencia A al nuevo punto B( r
r
), por ello si el punto elegido
como referencia (que es arbitrario y variará según los casos) le asignamos Energía Po-
tencial cero, la Energía Potencial del cuerpo en cualquier otro punto dado por r
r
 será:
∫ =•−=
r
EPA
rdFrEP
)0(
)(
rrr
Si lo aplicamos, como ejemplo, al campo gravitatorio de la Tierra, donde se toma
EP=0 en los puntos de la superficie del planeta, el cuerpo de masa m situado a una altu-
ra h, tendrá la siguiente energía potencial:
[ ] hgmrgmrdgmrdFhEP
hh h rrrrrrrr
•−=•−=•−=•−= ∫ ∫ 00 0)(
cuando el cuerpo se eleva ha de hacerse por una fuerza externa y por ello se realiza un
trabajo sobre él, ganando energía potencial y g
r
 y h
r
 tienen sentidos opuestos por lo que
resulta: hghg .−=•
rr
 luego: hgmEP ..=
2.3.2. La energía Potencial como energía de configuración
La energía potencial de una partícula en un campo de fuerzas conservativo, la he-
mos definido como el trabajo realizado para trasladar la partícula desde una posición
inicial hasta una posición final. Así parece que la energía potencial está "almacenada"
en la partícula, es decir, como si dicha energía estuviera exclusivamente ligada al cue r-
po a través de la posición ocupada en el campo.
Rigurosamente hablando, la energía potencial deberá depender tanto de las coor-
denadas de la partícula considerada como de las de todas las demás partículas que cons-
tituyen su "medio ambiente”. Esto es, la energía potencial no debe asignarse a ningún
cuerpo concreto, sino que debe considerarse como algo perteneciente a todo el sistema
en su conjunto, es decir, a todas las partículas interactuantes. Así podemos decir que la
energía potencial está relacionada con la configuración del sistema y no con la partícula
en concreto.
Si consideramos una piedra que se encuentra a una cierta altura sobre la Tierra,
decimos que esa piedra posee una determinada energía potencial por la posición que
ocupa. Si reflexionamos un poco veremos que realmente debemos considerar la energía
potencial del sistema piedra-tierra, ya que la piedra cae hacia la tierra, pero también la
tierra cae hacia la piedra y lo hace con una aceleración tan enormemente pequeña, en
comparación con la aceleración de la piedra, que la podemosdespreciar. En este caso
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asignamos la energía potencial a la piedra porque es ella la que adquiere prácticamente
toda la energía cinética a expensas de le energía potencial del sistema.
Si consideramos dos cuerpos de masas comparables no podemos asignar la ene r-
gía potencial a ninguna de las masas en concreto, sino que debemos considerarla como
una propiedad del sistema en conjunto. Puede considerarse como la energía de la confi-
guración de un sistema de partículas.
3. PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA ENERGIA
3.1. El trabajo como transformación de la energía.
Siempre podemos considerar la energía como el resultado de la realización de un
trabajo; pero también podemos adoptar el punto de vista inverso y considerar que se
produce trabajo cuando tiene lugar una transformación de una forma de energía a otra.
Así, cuando cae un objeto en el campo gravitatorio terrestre, su energía potencial
(o mejor, la energía potencial del sistema) disminuye, a la vez que se produce un au-
mento de su energía cinética. Es decir, se produce una transformación de energía de la
forma potencial a la forma de energía cinética, y es durante esa transformación cuando
la fuerza (que en este caso es el peso del cuerpo) produce un trabajo.
Sabemos que el trabajo debido a fuerzas conservativas produce una transforma-
ción de una forma de energía a otra, de manera que la energía total del sistema no varíe.
El trabajo no es, en sí mismo energía, sino el mecanismo de transformación de una
energía a otra (algo similar ocurre con el calor cuando decimos que es una energía en
tránsito).
En caso de que existan fuerzas no conservativas, la transformación de una energía
en otra no es total, sino que una parte de la energía se pierde. Por ejemplo, en el caso de
la fuerza de rozamiento hay una cierta cantidad de energía que se disipa, entonces el
trabajo realizado por la fuerza de rozamiento representa una transferencia de energía de
una forma, como la energía potencial, a otra forma, que en este caso se disipa y se mani-
fiesta en forma de energía térmica.
3.3. Conservación de la energía mecánica. Fuerzas conservativas
Consideremos una partícula de masa m que se mueve a lo largo de una trayectoria
desde A hasta B, bajo la acción de una fuerza F, entonces la variación de su energía
cinética vendrá dada por el trabajo realizado por dicha fuerza en ese desplazamiento:
∫ •=−=∆
B
A
rdFAECBECEC
rr
)()(
Como la fuerza es conservativa, podemos definir la energía potencial como el tra-
bajo realizado por la fuerza, cambiado de signo:
∫ •−=−=∆
B
A
rdFAEPBEPEP
rr
)()(
e igualando ambas expresiones resulta: EPEC ∆−=∆ à 0=∆+∆ EPEC
que es lo mismo que decir que la suma de las variaciones de energía cinética y de ener-
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gía potencial, es nula, o lo que es lo mismo:
( ) 0=+∆ EPEC à cteEEPEC M ==+
la suma de la energía cinética más la energía potencial constituye la energía mecánica y
ésta resulta constante. Así podemos enunciar el principio de Conservación de la Ene r-
gía: "Cuando las fuerzas que actúan sobre una partícula son conservativas, la energía
total de la partícula permanece constante en el transcurso del movimiento".
Esto equivale a decir, que si la energía cinética de un sistema conservativo au-
menta (o disminuye) en cierta cantidad, la energía potencial debe disminuir (o aumen-
tar) en la misma cantidad. Lo que el sistema gane en energía cinética lo pierde en ene r-
gía potencial.
3.4. Curvas de Energía Potencial
La energía potencial de un campo conservativo, que es función de la posición de
la partícula, puede representarse en un gráfico cartesiano EP-r. La gráfica resultante,
llamada "Diagrama de Energía Potencial", permite estudiar la fuerza conservativa F que
actúa sobre la partícula en cualquier posición, a partir de la definición de la fuerza con-
servativa:
W (trabajo de la fuerza conservativa)= ∫ ∆−=•
B
A
EPrdF
rr
Sea dW el trabajo realizado por la fuerza conservativa F
r
 en un desplazamiento
infinitesimal rd
r
, o sea: dEPrdFdW −=•= r
r
y expresando la fuerza en función de sus componentes:
kFjFiFF zyx
rrrr
++=
podemos escribir: EPGradEP
rd
dEP
F ∇−=−=−= r
r
luego: k
z
EP
j
y
EP
i
x
EP
kFjFiF zyx
rrrrrr
∂
∂−
∂
∂−
∂
∂−=++
de donde: 
x
EP
Fx ∂
∂−= 
y
EP
Fy ∂
∂−= 
z
EP
Fz ∂
∂−=
si el desplazamiento queda restringido a una sola dimensión, por ejemplo, la dirección
del eje X, resultará derivada total en vez de derivada parcial:
dx
dEP
Fx −=
Si se conoce la función de Energía Potencial en cada punto del desplazamiento, la
componente de dicho desplazamiento corresponde a la pendiente de la curva cambiada
de signo.
Cuando la curva decrece (pendiente negativa) la fuerza conservativa es positiva y
cuando la curva crece (pendiente positiva) la fuerza es negativa. Si la curva es asintótica
a un eje horizontal, su pendiente tiende a cero lo que significa que la fuerza conservativa
tiende a cero (extremo derecho de la curva) y si la curva es asintótica al eje vertical, la
pendiente tiende a infinito y la fuerza conservativa consecuentemente se hace infinita-
mente grande (extremo izquierdo de la curva).
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FIG.4
Los puntos máximos (x5 ) y mínimos (x3 y x6) representan valores de fuerza cero
ya que la pendiente de la curva es nula. Estos puntos se llaman puntos de equilibrio (si
colocamos una partícula en cualquiera de ellos con velocidad nula, se quedará allí sin
moverse); y existen puntos de equilibrio estable (puntos mínimos) y puntos de equili-
brio inestable (puntos máximos).
Son puntos de equilibrio estable aquellos que en los que al desplazar la partícula
ligeramente de su posición de equilibrio (tanto a la derecha como a la izquierda), la
fuerza que el campo ejerce sobre ella tiende a volverla a su posición original. Es el caso
de x3 y x6.
Los puntos de equilibrio inestable son aquellos en los que la partícula, al ser des-
plazada ligeramente de esa posición se verá sometida a una fuerza que tiende a alejarla
indefinidamente y no se vuelve a recuperar la posición. Es el caso de x5.
Como vemos, los equilibrios corresponden a máximos y mínimos de la curva de
energía potencial, y podemos enunciar: La fuerza que el campo ejerce sobre una partí-
cula en un punto del campo va dirigida siempre hacia posiciones de menor energía po-
tencial".
Analicemos ahora las zonas en que puede moverse la partícula en función de su
energía total. Supongamos que colocamos a m en la posición x5 y le damos una veloci-
dad hacia la izquierda tal que su energía total es E4, es decir: EC=E4-EP(x5). La partí-
cula será acelerada desde x5 a x3 y se verá frenada desde x3 hacia la izquierda. Al llegar a
x1 su energía potencial es su energía total, y no posee energía cinética EC=0, o sea, se
para en x1 y la fuerza del campo la devuelve hacia la derecha, sentido que seguirá inde-
finidamente.
El punto x1, con energía E4, es un punto de retroceso, que la partícula no puede
superar. Continuar a la izquierda de x1 supondría tener EP>E4 y por lo tanto EC<O
(energía cinética negativa) lo cual no tiene sentido físico por corresponder a una veloci-
dad imaginaria.
Si la energía total de la partícula es E3, tiene dos posibles zonas donde moverse, y
el que lo haga en una o en otra depende de la posición inicial en que la coloquemos,
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pero una vez colocada en una de ellas no podrá pasar a la otra, ya que entre ambas
existe una barrera de potencial, que corresponde a unsalto de energía elevado, inacce-
sible para la partícula si no recibe acciones exteriores ajenas al campo.
Cuando la energía total de la partícula es E2, su movimiento está restringido a va-
lores de x tales que x2≤ x≤ x4. Las posiciones x2 y x4 son puntos de retroceso, donde la
velocidad de la partícula es nula, y posee velocidad máxima cuando la partícula se en-
cuentra en x3 donde EP es mínima y su EC es máxima.
Con energía total E1 sólo puede estar en x3 y en reposo, y con E<E1 no puede
existir la partícula en el campo descrito por EP(x).
3.5. Fuerzas no-conservativas. Energía interna.
Entre las fuerzas no conservativas tenemos, concretamente, las fuerzas de roza-
miento y todas las que dependen de la velocidad del cuerpo (rozamiento en cuerpos só-
lidos y fluidos). A lo largo de una trayectoria de desplazamiento, el trabajo de las fuer-
zas no conservativas se disipa en formas de energía no recuperable como es la energía
térmica, y en una trayectoria cerrada no se retorna a la posición inicial en igual estado
de energía, por lo que el trabajo en dicha trayectoria no es nulo.
En una situación real además de las fuerzas conservativas de los campos, actúan
fuerzas no conservativas, como rozamientos y en este caso hemos de considerar la ener-
gía dis ipada, para que se cumpla el principio de conservación de la energía.
Recordando que la energía mecánica es igual a la suma de la energía cinética más
la energía potencial debida a los diversos campos conservativos, vamos a calcular el
trabajo que se realiza sobre un cuerpo por la actuación de un conjunto de fuerzas con-
servativas iF
r
 y una fuerza no conservativa ncF
r
. El trabajo neto realizado sobre el cuer-
po se invierte en variarle al cuerpo la energía cinética, o sea:
dECdWneto =
siendo: dECrdFrdFrdFdW ncneto =+•+•+•= ...21
rrrrrr
como el trabajo de las distintas fuerzas conservativas lo podemos expresar como una
variación de la energía potencial asociada al campo vectorial correspondiente a la fuerza
conservativa: 11 dEPrdF −=•
rr
22 dEPrdF −=•
rr
………………….
Sustituyendo: dECdEPdEPrdFdW ncneto =−−+−•= ...21
rr
 luego:
( ) Mnc dEEPEPECddEPdEPdECrdF =+++=+++=• ...... 2121
rr
siendo EM la llamada Energía Mecánica del sistema.
El resultado final se interpreta así: “El trabajo de la fuerza no conservativa es
igual a la variación de la Energía Mecánica que experimenta el sistema”, de tal modo
que si la fuerza ncF
r
 es una fuerza de rozamiento, se producen un trabajo resistivo, o sea,
contra el sistema (trabajo negativo 0<• rdFnc
rr
) resultando: Mnc dErdF −=•
rr
y la energía mecánica disminuye.
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En el caso particular de que no existan fuerzas no conservativas ncF
r
=0, resultará
0=• rdFnc
rr
 y dEM=0 luego la Energía Mecánica se conserva.
Si la presencia de las fuerzas de rozamiento, como caso más general de fuerzas no
conservativa, supone una disminución de la energía mecaniza del sistema, ¿dónde está
la energía perdida?. Como el principio de conservación de la energía no puede violarse,
se explica la pérdida de energía como una conversión en energía térmica en las superfi-
cies que rozan, y por consiguiente hay que considerarla en el balance general de energía.
Hemos de tener en cuenta que esta energía es la manifestación macroscópica de la agi-
tación atómica y molecular, agitación que se caracteriza por la energía cinética a nivel
molecular. Esta energía es la que conocemos como Energía Interna.
3.6. Conservación de la Masa-Energía.
Uno de los principios básicos de la dinámica newtoniana, aceptado unánimemen-
te, es el de la constancia de la masa. La masa de un sistema físico permanece constante
y no varía a lo largo del desarrollo del fenómeno físico. La masa es una constante del
sistema y se considera independiente de las variables del sistema, longitud, tiempo, ve-
locidad, etc. Incluso en una transformación química (reacción química) se considera una
ley fundamental la constancia de la masa, demostrada en los numerosos experimentos
realizados por Lavoisier en sistemas aislados.
En el ámbito de la Mecánica Clásica se admite como ley fundamental el Principio
de Conservación de la Masa: "La masa total de un sistema aislado es constante, inde-
pendientemente del tiempo”. Tomando como axioma que el Universo es un sistema
aislado, podemos generalizar diciendo: "La masa total de Universo es constante, inde-
pendientemente del tiempo".
Análogamente, la energía que se pone en juego en la transformación de un sistema
aislado, como ya hemos estudiado, es constante con el tiempo. Este principio es verifi-
cable por la experiencia en infinidad de casos, cualesquiera que sean las fuerzas que
actúan en su interior y sean o no conservativas. En las transformaciones de energía de
una forma a otra, la cantidad total permanece constante. Considerando que el Universo
es un sistema aislado, se puede afirmar que: "La energía total del Universo se mantiene
constante".
Fuera del ámbito de la mecánica newtoniana, es decir, cuando se estudian fenó-
menos físicos del micromundo, relacionados con las partículas atómicas y nucleares,
sólo son aplicables los principios de la Mecánica Cuántica. En este ámbito se descubrió
que se puede producir desaparición o creación de masa, con la consiguiente aparición o
desaparición de energía. Es el caso de las partículas que constituyen el núcleo atómico
en las que se detecta un defecto másico consistente en una diferencia entre la suma de
las masas de las partículas individuales y la masa de núcleo una vez constituido. Este
defecto másico se corresponde con la existencia de una enorme cantidad de energía de
ligadura entre las partículas que constituyen el núcleo (energía inexistente cuando las
partículas estaban separadas).
Albert Einstein demostró que la masa desaparecida y la energía aparecida en la li-
gadura de las partículas nucleares están relacionadas por la expresión:
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E = m.c2
siendo c, velocidad de la luz, una constante universal.
Con ello, los principios iniciales de Conservación de la Masa y Conservación de
la Energía, de la Mecánica Clásica, pierden validez y se reunifican en un único princi-
pio de conservación de la masa-energía que puede enunciarse así; "En un sistema ais-
lado, la suma de las masas y las energías totales, permanece constante e independiente
del tiempo".
La masa y la energía son magnitudes equivalentes y constituyen dos manifesta-
ciones diferentes de una única propiedad fundamental de la materia. La transformación
de masa en energía (formación de núcleos a partir de sus nucleones constituyentes) y la
transformación de energía en masa (materialización de partículas a partir de fotones de
alta energía) son fenómenos posibles, totalmente demostrados por los trabajos experi-
mentales realizados con las partículas subatómicas en los laboratorios de aceleración de
partículas.
4. LA ENERGIA A LO LARGO DE LA HISTORIA
4.1. La Energía en la Antigüedad.
Básicamente, el fin primordial del esfuerzo de la humanidad desde sus inicios
hasta hoy día, y seguramente en todo su futuro, ha sido, tras asegurar su supervivencia,
mejorar su nivel de vida en todos sus aspectos. Hasta que el hombre aprendió a domes-
ticar y aparejar a los animales de tiro, su única fuente de energía era su propia fuerza
muscular. Observó que una alimentación adecuada era la base del progreso y así apli-
cando una mayor energía a la agricultura, conseguía una mayor producción de alimentos
de calidad.
Tuvieron que pasar muchos miles de años hasta que el hombre descubriera otra
fuente de energía. Hace 100.000 años se empezó a utilizar la madera como combustible,
para obtener calor y cocinar alimentos, con lo que se cambia el origen de la energía. Se
pasade una energía de origen animal a una energía de origen químico, lo que supuso un
gran paso adelante. Muchos siglos después, se inventa la rueda hidráulica y el molino de
viento, que pusieron a disposición de la humanidad, una energía de origen mecánico.
Más adelante comienza a emplearse el carbón como combustible, lo que dio lugar a un
gran avance en la industria y sentó las bases para la revolución industrial.
4.2. La máquina de vapor.
Un hecho trascendental en la historia, y quizá el que más repercusiones tuvo en el
ámbito social, fue la invención de la máquina de vapor, que consistía en un dispositivo
mecánico que utilizando la propiedades del vapor de agua a presión (obtenido por ca-
lentamiento en cámaras cerradas), y tras su expansión en cilindros adecuados, permitía
convertir el calor del vapor en fuerza mecánica del émbolo del cilindro.
Esta máquina, junto con el carbón como combustible, abrieron nuevos horizontes
dando un gran impulso al desarrollo de la industria, las comunicaciones, el bienestar,
etc. Durante toda la segunda mitad del siglo XVIII y todo el siglo XIX, la máquina de
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vapor fue desarrollándose y mejorando técnicamente al tiempo que se aplicaba a mu-
chos ámbitos de la actividad laboral y social.
4.3. La electricidad.
Unos 100 años después de la invención de la máquina de vapor, aparece otra nue-
va forma de energía, la electricidad, ya conocida desde la antigüedad en ciertos fenó-
menos naturales. La electricidad presentaba las ventajas de ser una energía fácil de
transportar de forma eficiente y económica y unido esto a una tecnología de producción
y distribución más sencilla, limpia y eficiente, pronto se universalizó su uso. Además,
esta energía se podía transformar en luz, calor, frío movimiento, sonido, esfuerzo, ener-
gía mecánica, etc. todas ellas formas de energía permanentemente utilizadas por la hu-
manidad, lo que daba una gran libertad y versatilidad en sus usos y aplicaciones.
A finales del siglo XIX la energía eléctrica empieza a introducirse en todos los as-
pectos de la vida como fuente única y básica de energía que sustituía al carbón, gas,
tracción animal, etc. La electricidad se utiliza en la industria, las fábricas, las comunica-
ciones, en las ciudades, en los hogares, en la agricultura, etc.
4.4. La energía nuclear.
En la década de los años 30 del presente siglo XX avanzan los descubrimientos
sobre la constitución de la materia y se logra por primera vez la fisión nuclear, merced a
un gigantesco esfuerzo de investigación puesto en juego por razones bélicas, que dio
como resultado la construcción de las primeras bombas atómicas, utilizadas militar-
mente, basadas en la escisión violenta del átomo de uranio. ¡Ha nacido la energía nu-
clear! La aplicación más importante de esta clase de energía es la producción de enor-
mes cantidades de calor mediante la escisión controlada del uranio, en un reactor nu-
clear y su aprovechamiento para la producción de electricidad.
Esta energía ha sido actualmente muy contestada socialmente por considerarse
muy contaminante, muy costosa en sus instalaciones, muy controlada por grandes gru-
pos económicos de poder, con su costoso mantenimiento y su costosa tecnología de
eliminación de residuos. Por ello se buscan energías alternativas.
4.5. Evolución de los combustibles.
Hace unos 100.000 años, se utilizaba como combustible únicamente la madera, y
aunque las necesidades del hombre eran muy simples, ésta se empleaba para producir
calor y el preparado de alimentos. Tuvo que pasar mucho tiempo hasta el descubri-
miento del carbón como combustible, el cual adquirió un papel fundamental como
fuente energética al estar íntimamente vinculado su uso, con las innovaciones introduc i-
das en la época, como la máquina de vapor, el alto horno, el ferrocarril.
En el último tercio del siglo XIX se empieza a usar el petróleo, primero en crudo
y más adelante sus productos de destilación, como combustibles en máquinas, hornos y
ferrocarriles, lo que dio lugar a la readaptación técnica de estas máquinas al nuevo com-
bustible y al desarrollo de otras nuevas máquinas ante la posibilidad de nuevos combus-
tibles, como motores de explosión, motores diesel, turbinas, etc. Estos nuevos combus-
tibles aventajan al carbón en algunas aplicaciones industriales y técnicas, lo que trae
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consigo una disminución importante en el consumo de carbón y otras consecuencias
sociales. En la segunda decena de este siglo, comienza a usarse el gas natural como
combustible, con la ventaja de ser limpio, económico, de gran poder calorífico y de usos
múltiples y variados.
En la segunda mitad del siglo aparece el combustible nuclear (uranio fisionable) y
a partir de él se desarrollan centrales nucleares para la producción masiva de electrici-
dad. En un futuro, al margen de las energías alternativas que se están investigando, se
tiene puesta la esperanza en el hidrógeno como combustible de las futuras centrales de
fusión nuclear de producción de energía eléctrica.
5. LA ENERGIA EN LA SOCIEDAD ACTUAL.
La energía tiene una importancia trascendental en el mundo moderno. Al entrar en
la Revolución Industrial se entró en la era del maquinismo y desde entonces no ha deja-
do de incrementarse de forma casi exponencial su empleo, hasta el punto de que hoy en
día el consumo energético constituye uno de los indicadores más fiables del nivel de
desarrollo económico de los pueblos.
La evolución de la energía ha estado asociada a una mejora en el bienestar de la
humanidad, lo que lleva consigo mejoras en todos los aspectos de la actividad humana,
como alimentación, trabajo, sanidad, ocio, transportes, Comercio, etc.
5.1. Formas de Energía.
Aunque desde el punto de vista físico, las clases de energía que se presenta en la
naturaleza sólo son dos:
a) Energía Cinética, como energía asociada al movimiento de una partícula o un siste-
ma de partículas.
b) Energía Potencial, como energía asociada a la partícula o sistema de partículas por
encontrarse situada en un campo de fuerzas conservativo,
desde el punto de vista práctico, las formas en que se puede presentar la energía las po-
demos agrupar en seis tipos:
1) Energía mecánica. Como tal energía consideramos la energía cinética, la ene r-
gía potencial gravitatoria y la energía elástica de los cuerpos.
2) Energía electromagnética, incluye las manifestaciones de esta energía, que son
el campo electrostático, el campo magnético y la corriente eléctrica.
3) Energía térmica, es la energía interna de los cuerpos debido a la agitación mo-
lecular y que se manifiesta externamente como calor.
4) Energía química, es la energía que poseen los compuestos en razón de la esta-
bilidad de sus enlaces químicos y se pone de manifiesto en una reacción quí-
mica.
5) Energía metabólica, es una energía química, generada en los organismos vivos
por la oxidación, en las células, de los alimentos ingeridos.
6) Energía nuclear, es la energía que proviene de reacciones nucleares, que pue-
den ser de desintegración de núcleos atómicos radiactivos, de fisión de nú-
cleos pesados o de fusión de núcleos ligeros (energía estelar).
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5.2. Fuentes de Energía.
Las distintas fuentes de energía las podemos clasificar según sean o no renova-
bles. Las fuentes de energía renovables son aquellas que por llegar de forma continua a
la Tierra, son inagotables y las fuentes de energía no renovables son aquellas que se
encuentran en cantidad fija en el planeta y por consiguiente al consumirlas se agotan.
Dentro de las fuentes de energía renovables tenemos:
- La energía hidráulica, que se obtiene a partir de las corrientes de agua de los
ríos, bien desu curso natural o de su curso alterado, canalizado o acumulado
en presas.
- La energía solar, es la energía que llega a la Tierra en forma de radiación elec-
tromagnética procedente del sol. Comprende fundamentalmente el margen de
radiaciones correspondientes al infrarrojo.
- La energía eólica, energía producida por el movimiento de los vientos como
consecuencia del calentamiento diferencial del planeta.
- La energía de la biomasa, es la energía obtenida a partir de los compuestos or-
gánicos generados por los procesos naturales.
- La energía mareomotriz, es la energía mecánica generada por el movimiento
de las mareas de los mares.
Dentro de las fuentes de energía no renovables tenemos:
- El carbón, es un combustible fósil formado por acumulación de vegetales que
tras un largo proceso de reducción (carbonización) se transformaron en los
distintos tipos de carbón, entre los que destacan los carbones duros (antracita y
hulla) y los carbones blandos (lignitos y turba).
- El petróleo, es un aceite mineral natural de composición compleja que se origi-
nó a partir de una materia prima formada fundamentalmente por restos de or-
ganismos vivos, acuáticos, vegetales y animales que se han ido depositando y
transformándose en hidrocarburos por un proceso de degradación. Así, el cru-
do del petróleo es una mezcla de hidrocarburos que como tal, no tiene muchas
aplicaciones. Necesita una serie de transformaciones en el proceso llamado
refino del petróleo, que consiste en una destilación francio nada continua, para
descomponerlo en sus diferentes fracciones como gases, hidrocarburos ligeros,
gasolinas, queroseno, gas-oil, fuel-oil, parafinas y aceites pesados.
- El Gas Natural, es una mezcla de gases combustibles hidrocarburados o no,
que se encuentran en el subsuelo y que procede de la degradación de sustan-
cias orgánicas. Su principal componente es el metano.
- La Energía Geotérmica, es la contenida en el interior de la Tierra y su salida al
exterior puede ser en forma de gases (fumarolas y solfataras), en forma de va-
por y agua hirviendo (géyseres) y en forma de agua caliente (fuentes terma-
les).
- La Energía Nuclear, es la energía proveniente de reacciones nucleares o de la
desintegración de los núcleos de algunos átomos radiactivos. Procede de la li-
beración de la energía almacenada en el núcleo atómico inestable. Las dos
principales reacciones que liberan energía susceptible de aprovechamiento in-
dustrial son la fisión de núcleos pesados y la fusión de núcleos ligeros.
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5.3. Energía Eléctrica. Su desarrollo.
Sería muy difícil señalar alguna rama de la actividad en la vida cotidiana del
hombre en la que no intervenga la electricidad. Esta forma de energía ha cambiado las
condiciones de vida del hombre desde que a finales del siglo XIX comenzó a ser utili-
zada a nivel industrial.
Las características fundamentales de la energía eléctrica, que la diferencian de
otras fuentes de energía, son:
- Puede ser transformada instantáneamente en otras formas de energía (mecáni-
ca, luminosa, calorífica, química, etc.) mediante máquinas de sencillo uso y
con un alto rend imiento.
- Puede ser transportada a largas distancias con muy pocas pérdidas, de manera
inmediata, sin ocupar espacio y sin necesidad de ser almacenada, acumulada o
guardada. Su producción y consumo son prácticamente instantáneos.
- Puede ser producida por diversos métodos y a partir de diversas fuentes. La
energía eléctrica no es una energía primaria; no se encuentra como tal en la
naturaleza, sino que es necesario obtenerla a partir de energías primarias (car-
bón, petróleo, energía potencial hidráulica, etc.). La producción de esta ene r-
gía se realiza en las centrales eléctricas a través de generadores, los cuales son
unos mecanismos electromagnéticos, que basados en los fenómenos de induc-
ción electromagnética, produce corriente eléctrica a partir de campos eléctri-
cos móviles.
Los generadores constan de dos piezas fundamentales:
Estator: armadura metálica fija cubierta interiormente por una serie de bobinas de
hilo de cobre, por donde, al circular corriente, produce un campo magnético.
Rotor: situado dentro del estator y girando alrededor de un eje que pasa por el
centro de ambos. Tiene forma cilíndrica y formado por una serie de bobinas de hilo de
cobre, que se transforman en electroimanes cuando se les suministra una corriente eléc-
trica. Cuando el rotor gira a gran velocidad (giro que se le ha de comunicar desde el
exterior, por ejemplo, mediante una turbina) se producen corrientes eléctricas inducidas
en las bobinas del estator. Estas corrientes determinan la fuerza electromotriz del gene-
rador, y el aparato se convierte en un generador de fuerza electromotriz. La energía
eléctrica del generador se transmite hasta los centros de consumo mediante tendidos
eléctricos de alta tensión.
La electricidad tiene múltiples aplicaciones en todos los sectores de la actividad
humana por ser una fuente de energía limpia, silenciosa, sin residuos, económica res-
pecto a otras fuentes, universal pues puede llegar a todos los usuarios, siempre que se
disponga de las adecuadas infraestructuras, etc. por todas estas características, la electri-
cidad se ha universalizado como principal fuente de energía actual.
6. REPERCUSIONES MEDIOAMBIENTALES.
El estudio de las diferentes formas energéticas y su influencia en el medio am-
biente, con frecuencia, se analiza sólo parcialmente y no en su totalidad como sería lo
correcto. Es decir, una determinada fuente energética no sólo puede afectar al medio
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ambiente cuando está generando electricidad, sino también en el proceso de obtención
de dicha fuente De los distintos recursos existentes, examinaremos aquellos que en la
actualidad presentan cierto grado de utilización, como el carbón, el petróleo y el uranio.
6.1. Carbón
La minería del Carbón presenta una incidencia medioambiental que puede variar
según sea la explotación a cielo abierto o a través de pozos y minas subterráneas.
Cuando es a cielo abierto, las consecuencias negativas para el entorno son muy
importantes, al dejar la tierra estéril y permitir la erosión por las lluvias que arrastrarán
productos sulfúreos asociados al carbón y que dañarán el hábitat donde se depositen.
Cuando la explotación es subterránea hay que destacar la peligrosidad inherente a esta
actividad (derrumbamientos, explosiones, accidentes, contaminación del aire) y los da-
ños a la integridad y a la salud de las personas También destacamos la cantidad de mate-
ria contaminante sacada de las entrañas de la tierra y depositada en los alrededores de
las minas, dejando estéril el suelo y contaminando donde se depositen.
También presenta una negativa influencia medioambiental, el proceso de purifica-
ción del carbón extraído de las minas, el cual requiere grandes cantidades de agua, que
al volver a sus cauces naturales, vuelven contaminadas. El transporte de carbón a las
centrales térmicas supone una fuente contaminante de polvillo de carbón y sustancias
sufurosas, hacia el aire y la tierra y que se extenderá por medio de las lluvias.
6.2. Petróleo.
Los campos de explotación de crudo que se encuentren en los desiertos presentan
incidencias medioambientales escasas, pues al ser tierras despobladas, su importancia es
menor por razones obvias. Los campos de explotación que se encuentren en los mares,
presentan mayor incidencia medioambiental, sobre todo por la frecuencia de las mareas
negras, que se extienden a amplias zonas del océano en zonas pobladas de seres vivos.
En el proceso de destilación, refinado, craking, etc. del petróleo se suelen emplear
grandes cantidades de agua que luego quedaran con altos niveles de contaminación y
volverán así a sus cauces naturales siendo vehículo para la propagaciónde la contami-
nación. Los niveles de contaminación en las industrias de tratamiento del petróleo están
sometidos a una vigilancia especial, no permitiéndose sobrepasar ciertos niveles esta-
blecidos. La contaminación atmosférica que se produce es también importante y para
disminuir sus efectos se utilizan chimeneas de mucha altura, filtros catalíticos de con-
taminantes y análisis continuos de las muestras expulsadas.
La exploración, explotación y producción de petróleo y sus derivados produce una
degradación ambiental que provoca daños ecológicos importantes y que pueden afectar
seriamente al entorno, al clima y al hombre, aunque aun no se conocen a fondo las con-
secuencias a largo plazo.
6.3. Uranio
La extracción del Uranio no presenta incidencias sobre el medio ambiente distin-
tas a las que presentan otras actividades mineras Los niveles de radiactividad están muy
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controlados y vigilados de manera que no ofrecen grandes problemas. La contaminación
radiactiva del uranio se presenta seriamente en su procesamiento industrial y en las
centrales nucleares.
6.4. Contaminación por centrales eléctricas (convencionales y nucleares).
La producción de electricidad también tiene sus efectos sobre el medio ambiente.
Uno de los aspectos a tener en cuenta son los materia les necesarios para la construcción
de la central (cemento, hormigón, acero, metales, ácidos y otros productos químicos,
etc.), ya que toda instalación industrial supone una cierta degradación ambiental (tala de
árboles, explanaciones de terreno, cambios de cursos de agua, Construcción de carrete-
ras, introducción de los materiales de construcción, etc.).
Otro elemento a tener en cuenta es la ocupación del espacio, haciendo desaparecer
los hábitat naturales existentes en esos terrenos. La fábrica de producción de energía que
menos espacio requiere para su construcción es la central nuclear.
Una vez construida la central, ésta tiene un período de funcionamiento limitado y
una vez cumplido ese período, es decir, cuando se cierra la central, la maquinaria y la
zona donde ha estado ubicada presentan unos niveles de degradación y contaminación
elevados. En la actualidad existe un sistema de reglas y procedimientos para eliminar o
reducir al mínimo estos altos niveles de contaminación.
Si consideramos una Central Térmica Convencional (alimentadas por carbón,
fuel-oil o gas natural) funcionando en condiciones normales emitirá una serie de pro-
ductos con claros efectos contaminantes sobre el medio ambiente y sobre los seres vi-
vos. Estos contaminantes son principalmente partículas, óxidos de azufre, óxidos de
nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos, los cuales será necesario analizar para
conocer el grado de contaminación. Uno de los efectos que más consecuencias negati-
vas puede tener sobre el clima es la lluvia ácida producida por la combinación de agua
con los óxidos de nitrógeno y de azufre liberados a la atmósfera. Las medidas que se
han de adoptar para disminuir estos efectos son la reducción de las emisiones de estos
contaminantes.
En el caso de una Central Térmica Nuclear, antes de proceder a su instalación, de-
ben estar muy estudiados los efectos medioambientales y cómo evitarlos. Se sabe que la
radiactividad decrece con el tiempo, disminuyendo su peligrosidad. Por ello se adoptan
medidas para que, aún en las condiciones más desfavorables, las sustancias radiactivas
no queden libres y puedan afectar a la biosfera antes de que su peligrosidad haya desa-
parecido.
En una central nuclear funcionando en condiciones normales, las dosis de radiac-
tividad recibidas por el personal de la instalación, así como por la población limítrofe,
son inferiores al límite establecido. Existen unos programas de vigilancia de la radiacti-
vidad ambiental que se aplican en los alrededores de las centrales, lo que lleva consigo
la toma de muchas muestras y la realización de muchas determinaciones.
Actualmente las técnicas de evacuación de residuos radiactivos se centran en: in-
mersión en fosas oceánicas, disposición de trincheras superficiales y enterramiento en
zonas geológicas estables y muy profundas.
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7. ENERGÍAS ALTERNATIVAS DE RECURSOS RENOVABLES
Las energías renovables son aquellas que por llegar a la Tierra de manera conti-
nua, procedente de la fuente principal que es el Sol, son inagotables pues siempre se
están renovando. Destacamos la energía hidráulica, la solar, la eólica, la energía de
biomasa y la mareomotriz.
- Energía Hidráulica. Es la que se obtiene a partir de las corrientes de agua de los
ríos. Su aprovechamiento consiste en retener el agua en unos embalses o pantanos (me-
diante presas) para acumularla y aprovechar la energía potencial almacenada en esa ma-
sa de agua, que al caer desarrollará esa energía en energía cinética que moverá unas
turbinas y éstas a su vez, moverán unos alternadores y se producirá energía eléctrica.
Principalmente se emplea en la producción de electricidad.
- Energía Solar. Es la energía electromagnética procedente del Sol, que tiene la
particularidad de que no puede ser directamente almacenada, sino que ha de ser trans-
formada inmediatamente de ser recogida, en otra forma de energía. Se utiliza para ello:
tubos de agua (calor) células fotovoltaicas (electricidad), etc.
- Energía Eólica. Es la energía producida por el movimiento de los vientos que
actualmente se utiliza para accionar molinos, bombas y pequeñas dinamos productora
de corriente. Tiene el inconveniente de que a mayor cantidad de materia prima mayores
son los problemas de corrosión, erosión, desgaste, etc.
- Energía de la biomasa. Es la energía obtenida por los procesos naturales que se
producen en la Tierra sobre los compuestos orgánicos. Se puede obtener biomasa esta-
bleciendo cultivos transformables en combustibles, o bien, por aprovechamiento de re-
siduos.
- Energía mareomotriz. Es la energía que se obtiene del movimiento alternativo
del mar en las mareas y corrientes marinas, aunque apenas se utiliza. Esta energía puede
ser aprovechada de tres formas: mareas, olas y diferencias térmicas de sus diferentes
capas. Tiene el inconveniente del alto costo de las instalaciones necesarias y el poco
desarrollo de su tecnología.
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA
Manuel ORTEGA GIRÓN. Lecciones de Física. Mecánica 3. Departamento de
Física Aplicada. Universidad de Córdoba. CÓRDOBA.
Santiago BURBANO DE ERCILLA, Enrique BURBANO GARCÍA y Carlos
GARCÍA MUÑOZ. Física General. XXXI Edición. Mira Editores. ZARAGOZA.
Raymond A. SERWAY. Física. Nueva Editorial Interamericana. MEJICO:
Marcelo ALONSO y Edward J.FINN. Física. Vol.I. Mecánica. Adisson-Wesley
Iberoamericana. MEJICO.
FORUM ATÓMICO ESPAÑOL. El Libro de la Energía. 1987. MADRID.
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Tratamiento Didáctico
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OBJETIVOS
Introducir el importante concepto físico de Energía como agente regulador de todos
los fenómenos de la naturaleza, tanto físicos, químicos, geológicos, biológicos, astro-
nómicos, moleculares, atómicos, etc.
Establecer una relación matemática que permita la medida de la energía a través del
trabajo mecánico generalizando a todas las situaciones.
Describir el principio de conservación de la energía como ley general de la naturale-
za y base de las leyes estudiadas en la física y en la química.
Informar, formar y concienciar al alumno de las necesidades energéticas de la socie-
dad actual y sus repercusiones medioambientales tanto positivas como negativas.
UBICACIÓN
En la E.S.O. se ubica el tema de una manera escalonada, según la edad. En el primer
ciclo (1º y 2º cursos)introducción de conceptos básicos a nivel de observación y expe-
rimentación y en el segundo ciclo (3º y 4º) desarrollo del tema en su totalidad prescin-
diendo del aparato matemático.
El tema completo con todo su rigor, debe ubicarse en los cursos de Bachillerato.
TEMPORALIZACIÓN
Puede desarrollarse el tema completo en un periodo de seis horas para explicar todos
sus apartados. Debe completarse con 2 horas para resolución de problemas numéricos.
METODOLOGÍA
Explicación exhaustiva del concepto de energía, tanto de la energía cinética como
potencial, ilustrándolo con ejemplos de las distintas manifestaciones de la energía en la
naturaleza.
Motivar al alumno al razonamiento y la discusión de las relaciones energéticas que se
presentan en situaciones reales obligando a interpretar y obtener conclusiones.
Resolución de problemas numéricos relacionados con situaciones de la vida diaria
utilizando variadas unidades que obligue a la conversión de unidades para la exclusiva
utilización del Sistema Internacional.
CONTENIDOS MÍNIMOS
Conceptos de Trabajo, Potencia y Energía.
Energía Cinética.
Campo de fuerzas. Fuerza conservativa.
Energía potencial. Intensidad de campo.
Principio de conservación de la energía.
Fuerzas no conservativas.
Curvas sencillas de energía potencial.
Manifestaciones de la energía. Fuentes de energía. Combustibles.
Contaminación de las fuentes de energía.
Energías alternativas.
MATERIALES Y RECURSOS DIDÁCTICOS
Libro de Texto complementado con apuntes de clase.
Hojas de problemas de Trabajo, Potencia y Energía.
Vídeos didácticos sobre fuentes de energía, centrales eléctricas, energía nuclear,
contaminación, etc., previamente seleccionados y con un guión del profesor.
Lecturas adicionales sobre el tema de la energía en la sociedad actual.
Trabajos de recopilación de artículos de revistas y periódicos relacionados con la
energía, contaminación, vertidos, energía nuclear, energías alternativas, etc.
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EVALUACIÓN
Pruebas objetivas de carácter teóricos que versen sobre los conceptos fundamentales
relacionados con la energía y fuentes de energía.
Pruebas escritas con problemas numéricos exigiendo resolución completa con utili-
zación de máquinas calculadoras.
Pruebas de opción múltiple con preguntas de varias respuestas (3 falsas y 1 cierta)
que obligue al alumno al razonamiento de las situaciones planteadas.