Conversión de energía  El juego de la ciencia

Conversión de energía El juego de la ciencia

James Prescott Joel.
James Prescott Joel.

La semana pasada nos preguntamos cómo se deriva la fórmula para la energía cinética de un cuerpo de masa m a la velocidad v: Ec = mv² / 2. Una vez más recurriremos a la ley de conservación de la energía, ya que la energía cinética del cuerpo en La pregunta debe ser igual al trabajo requerido para imprimir su velocidad.

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Consideremos el caso de un cuerpo que cae en t segundos: el trabajo (W) realizado por la atracción gravitacional es igual a la fuerza – que es el peso del cuerpo (masa de la gravedad: mg) – a través del espacio recorrido, que en el caso de un cuerpo en caída libre es gt² / 2; por lo tanto también como gt = v (la velocidad es la aceleración de la gravedad multiplicada por el tiempo de caída):

Ec = W = Fe = mg.gt² / 2 = mg²t² / 2 = mv² / 2

Para refrescar algunos conceptos de la física elemental, un cuerpo en caída libre durante t segundos parte del reposo, es decir, la velocidad 0, y alcanza la velocidad gt, de modo que su velocidad promedio para estos t segundos es gt / 2 y multiplica la velocidad promedio en el tiempo. obtenga el espacio recorrido: gt² / 2, que, como acabamos de ver, nos da la fórmula de la energía cinética multiplicada por, mg.

Dadas las consideraciones anteriores, un observador «ingenuo» (no familiarizado con la relatividad) puede pensar que la fórmula conocida para la equivalencia entre materia y energía, E = mc², expresa la energía cinética de un cuerpo de masa m, que alcanzará instantáneamente la velocidad de luz (de ahí y la desaparición del factor ½, ya que no partirá del reposo ni de la velocidad 0). Invito a mis lectores astutos a pensar en esto.

El equivalente mecánico del calor

Después de considerar dos formas extremas de conversión de energía: la conversión «clásica» de energía potencial en cinética y la conversión relativista de materia en energía, es necesario mencionar la conversión de trabajo en calor (y viceversa), concepto que no es tan revolucionario como el introducido por Einstein, pero para el que la ciencia no fue clara hasta el siglo XIX.

Ni siquiera estaba claro que el calor fuera una forma de energía, ya que se consideraba un tipo de líquido fino (llamado «calórico») que penetra en los cuerpos y pasa de uno a otro. A pesar de la amplia evidencia de que el trabajo mecánico puede producir calor (por ejemplo, frotando un objeto), esta relación solo es claramente visible y puede cuantificarse mediante experimentos realizados por el físico británico James Prescott Joule a mediados del siglo XIX.

Joule determinó que para elevar un grado la temperatura de un gramo de agua, es decir, para generar calorías, es necesario utilizar un poco más de cuatro julios de energía mecánica.

En un recipiente con agua, Joel introdujo palas giratorias conectadas por una cuerda a un peso que hace girar las paletas a medida que caen, convirtiendo la energía potencial de la gravedad en energía mecánica (rotación de las palas), que a su vez hace que el agua suba de temperatura. ; es decir. la energía mecánica se transforma en calor.

Con este tipo de experimento, Joule descubrió que para elevar un grado la temperatura de un gramo de agua, es decir, generar calorías, era necesario utilizar un poco más de cuatro julios de energía mecánica. Posteriormente, se determinó con precisión que la equivalencia entre unidades de calor y energía es 1 cal = 4,18 julios. Recuerde que un joule es el trabajo que realiza una fuerza de un Newton cuando viaja en un espacio de un metro (aproximadamente el trabajo requerido para levantar un peso de 100 gramos a una altura de un metro).

¿Estamos intoxicados por la publicidad engañosa o realmente hay estufas que consumen menos que otras?

Y hablando del calor que hemos tenido mucho este verano, la publicidad de todo tipo de estufas eléctricas, que muchas veces presumen de su bajo consumo, pronto desaparecerá y volverá, con el frío. ¿Nos envenenan al hacer esto con publicidad engañosa, o realmente hay estufas que usan menos que otras? ¿Y qué hay de las bombillas de luz de seis vatios que brillan como bombillas de luz de 40 vatios? ¿Qué pasa con los refrigeradores de alto rendimiento? Y la metapregunta del rigor: ¿qué tiene que ver todo esto con transformar y conservar la energía?

Carlo Frabeti es escritor y matemático, miembro de la Academia de Ciencias de Nueva York. Ha publicado más de 50 trabajos de divulgación científica para adultos, niños y jóvenes, entre los que se encuentran «Física maldita», «Matemáticas malditas» o «El gran juego». Fue el guionista de La bola de cristal.

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