Energía

Una batería, un resorte estirado y agua tibia almacenan energía. La energía puede transferirse y almacenarse, pero nunca crearse ni destruirse. Esta referencia cubre Física AQA GCSE 8463, tema 4.1 Energía.

• Cada examen vale 100 puntos y dura 1 h 45 min; las ideas energéticas aparecen a través de ambos exámenes.
• AQA proporciona actualmente una Hoja de Ecuaciones de Física. Consulte el inserto de su serie; practique elegir y reordenar ecuaciones y convertir unidades.
• Muestre la ecuación, la sustitución y la respuesta con unidades. Siga las instrucciones de precisión de la pregunta; los puntos dependen de la pregunta y del baremo.

Un sistema es un objeto o grupo de objetos que eliges estudiar. Cuando un sistema cambia, la energía se transfiere entre almacenes de energía. Los almacenes que debes nombrar son:

Use el nombre de almacén solicitado, tal como térmico, potencial gravitatorio o potencial elástico. El esquema de junio 2024 acepta ciertos símbolos en partes específicas; esto no es una regla que acepte cada símbolo en cada pregunta de nomenclatura.

Describiendo un cambio

La energía sale de una tienda y entra en otra. Di ambas partes. Practica estas situaciones, que el programa denomina:

• Un objeto proyectado hacia arriba: el almacén de energía cinética disminuye y el almacén de energía potencial gravitatoria del sistema objeto–Tierra aumenta. En un lanzamiento vertical, la velocidad es cero en el punto más alto.
• Un objeto en movimiento que choca contra un obstáculo: el almacén de energía cinética se vacía; los almacenes térmicos del objeto y del obstáculo aumentan; el sonido puede transportar energía away.
• Un objeto acelerado por una fuerza constante: un almacén fuente (por ejemplo, el almacén químico de una batería) disminuye; el trabajo transfiere energía al almacén de energía cinética del vehículo. El trabajo eléctrico es una vía de transferencia, no un almacén eléctrico.
• Un vehículo que frena: la tienda cinética se vacía; la tienda térmica de los frenos se llena.
• Hacer hervir agua en una cafetera eléctrica: la energía química en el combustible de la central eléctrica (u otro recurso) termina en la tienda térmica del agua.

La energía puede entrar a un sistema de tres formas: mediante calentamiento (una diferencia de temperatura la impulsa), mediante trabajo realizado por fuerzas (una fuerza mueve algo) y mediante trabajo realizado cuando circula una corriente (un dispositivo eléctrico transfiere energía). La electricidad se cubre en el tema 4.2.

Diagramas de Sankey

Un diagrama de Sankey muestra la energía en una escala común. El ancho de cada flecha se dibuja proporcionalmente a la energía que transporta. La flecha izquierda es la entrada; se divide en una salida útil y salidas desperdiciadas.

• El ancho total de salida siempre iguala al ancho de entrada. La energía se conserva.
• La energía "desperdiciada" no se destruye. Se almacena de formas menos útiles, generalmente térmica.

Práctica guiada: nombrar almacenes y conservar la energía

Inicio — escrito por el profesor. Un motor transfiere 60 J en 3.0 s. ¿Cuál es su potencia?

Razonamiento resuelto. La potencia es la tasa de transferencia de energía. La ecuación es $P=E/t$. Sustituyendo se obtiene $P=E/t=60\ \mathrm{J}/(3.0\ \mathrm{s})=20\ \mathrm{W}$. Esto significa 20 joules cada segundo; no establece la eficiencia ni la salida útil.

Transferencia de examen — adaptado de AQA junio 2024 Papel 1H Pregunta01.1, Pregunta01.2 y Pregunta06.1. Nombra el almacén creciente cuando se calienta agua, se eleva agua a un embalse y se estiran cuerdas para bungee. Intenta antes de revisar: térmica/interna, potencial gravitatoria, potencial elástica. Explica cada nombre usando el cambio de temperatura, altura o extensión. El trabajo eléctrico puede transferir energía a estos sistemas, pero lo eléctrico no es un almacén de energía.

Equilibrio de motor escrito por el profesor. La entrada es 100 J y la energía cinética útil es 80 J. Todo el resto llega a los almacenes térmicos. Calcula este remanente y dibuja flechas de Sankey proporcionales antes de revisar el diagrama.

Razonamiento resuelto. La conservación da $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}$. La sustitución da $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}=100\ \mathrm{J}-80\ \mathrm{J}=20\ \mathrm{J}$. Los anchos de las flechas de entrada/útil/dsipado tienen una proporción de 100:80:20 = 5:4:1. La energía se conserva; la parte disipada es menos útil, no se destruye. Las longitudes de las flechas y los tamaños de las puntas no representan la energía.

Elige la ecuación para el almacén que cambia. Usa masa en kg, velocidad en m/s, extensión y cambio de altura en m, y la intensidad del campo gravitatorio de la pregunta $g$ en N/kg.

• $E_k$ energía cinética en J; $m$ masa en kg; $v$ velocidad en m/s.
• $E_e$ energía potencial elástica en J; $k$ constante del resorte en N/m; $e$ extensión en m.
• $E_p$ energía potencial gravitatoria en J; $h$ aumento de altura en m; $g$ intensidad del campo gravitatorio en N/kg.

Dos advertencias que evalúa el examen:

• La extensión es el cambio de longitud: longitud estirada menos longitud original. Una "7.5 m de extensión" ya significa la longitud extra.
• $E_e = \tfrac{1}{2}ke^2$ necesita no exceder el límite de proporcionalidad: por debajo de él, duplicar la extensión cuadruplica la energía almacenada.

Práctica escrita por el profesor — extensión y unidades. Un resorte proporcional mide 10 cm sin estirarse y 22 cm estirado, con $k=50$ N/m. Encuentra la extensión y la energía almacenada; predice el efecto de duplicar esta extensión mientras el resorte permanece proporcional.

Razonamiento resuelto. $e=L-L_0=22\ \mathrm{cm}-10\ \mathrm{cm}=12\ \mathrm{cm}=0.12\ \mathrm{m}$. Luego $E_e=\tfrac12ke^2=\tfrac12\times50\ \mathrm{N/m}\times(0.12\ \mathrm{m})^2=0.36\ \mathrm{J}$. Duplicar la extensión da $E_{e,2}=\tfrac12k(2e)^2=4E_e=4\times0.36\ \mathrm{J}=1.44\ \mathrm{J}$.

Ejemplo resuelto escrito por el profesor. Un avión de juguete de 0.020 kg se lanza horizontalmente mediante un resorte proporcional con $k = 50$ N/m y extensión $e = 0.12$ m. El resorte se relaja hasta su longitud natural. Asume ningún cambio de altura y que toda la energía elástica liberada se convierte en energía cinética del avión. Encuentra la velocidad ideal de lanzamiento.

• Datos: datos del resorte y masa. En el lanzamiento, el almacén elástico se vacía en el almacén cinético. Para la velocidad máxima, asuma que toda llega.
  $$E_e = \tfrac{1}{2} k e^2 = \tfrac{1}{2} \times 50\ \text{N/m} \times (0.12\ \text{m})^2 = 0.36\ \text{J}$$
• Por qué $E_k = E_e$: el modelo ideal declarado excluye la energía transferida a otros almacenes. En un lanzamiento real, las transferencias térmicas pueden dejar menos energía cinética y una velocidad menor.
  $$E_k = \tfrac{1}{2} m v^2 \quad\Rightarrow\quad v = \sqrt{\frac{2 E_k}{m}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.36\ \text{J}}{0.020\ \text{kg}}} = 6.0\ \text{m/s}$$
• Verificación: la unidad es m/s porque $\sqrt{\text{J}/\text{kg}} = \sqrt{\text{m}^2/\text{s}^2}$.

Transferencia de examen: dos cuerdas y altura

Adaptado de AQA junio 2024 Papel 1H Preguntas06.2–06.3. Una cápsula de 240 kg se libera hacia arriba por dos cuerdas que se comportan como resortes, cada una con $k=735$ N/m y extensión 8.0 m. Calcula el aumento de altura ideal ($g=9.8$ N/kg), asumiendo que toda la energía elástica inicial se convierte en energía potencial gravitatoria. Explica por qué la altura real es menor.

• Datos: dos cuerdas idénticas, por lo que la energía almacenada se duplica.
  $$E_{e,1}=\tfrac12 ke^2=\tfrac12\times735\ \mathrm{N/m}\times(8.0\ \mathrm{m})^2=23\,520\ \mathrm{J}$$
  $$E_{e,\mathrm{total}}=2E_{e,1}=2\times23\,520\ \mathrm{J}=47\,040\ \mathrm{J}$$
• En este modelo ideal, toda la energía elástica inicial se convierte en energía potencial gravitatoria en el punto más alto, donde la velocidad vertical es cero:
  $$E_p = m g h \quad\Rightarrow\quad h = \frac{E_p}{m g} = \frac{47\,040\ \mathrm{J}}{240\ \mathrm{kg}\times9.8\ \mathrm{N/kg}} = 20\ \text{m}$$
• La resistencia del aire se opone al movimiento ascendente. Parte de la energía elástica inicial se transfiere al entorno en lugar de aumentar la energía potencial gravitatoria, por lo que el aumento de altura real es menor. Decir "la energía se desperdicia" solo no explica la transferencia; la energía se conserva.

Mantenga visible la suposición física y cada etapa del cálculo; la asignación de puntos depende de la pregunta específica.

Caliente un objeto y su almacén térmico crece. La energía necesaria depende de la masa, el material y el aumento de temperatura:

• $\Delta E$ cambio en energía térmica en J; $m$ masa en kg; $\Delta\theta$ cambio de temperatura en °C.
• $c$ calor específico en J/kg °C: la energía necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de una sustancia en un grado Celsius.

Para masas iguales que ganan igual energía térmica, un material con mayor $c$ presenta un aumento de temperatura menor. El agua tiene $c$ aproximadamente 4200 J/kg °C; el cobre, unos 385 J/kg °C. La velocidad de calentamiento de una cuchara también depende de su masa y de la transferencia de energía por contacto; la capacidad calorífica específica sola no determina la velocidad.

Ejemplo resuelto escrito por el profesor. Un bloque metálico de 2.0 kg gana 26 kJ (26 000 J) de energía térmica. La temperatura del bloque sube de 22 °C a 50 °C. Calcule $c$.

• Conocido: energía, masa y temperaturas. La variación de temperatura es lo que entra en la ecuación: $\Delta\theta = 50 - 22 = 28$ °C.
  $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \frac{26\,000\ \text{J}}{2.0\ \text{kg} \times 28\ ^\circ\text{C}} = 464\ \text{J/kg °C} \approx 460\ \text{J/kg °C}$$
• Verificar: J dividido entre (kg × °C) da J/kg·°C.

Mantenga las unidades consistentes: 10.5 kJ debe convertirse en 10 500 J; un tiempo en minutos debe convertirse en segundos; una masa en gramos debe convertirse en kg; una potencia en kW debe convertirse en W. Escriba la conversión como línea independiente.

Transferencia al examen: despeje para el cambio de temperatura

Adaptado del Examen AQA de junio 2024, Papel 1H P08.3. El aire gana 0.0130 J; su masa es $2.60\times10^{-8}$ kg y $c=1.01$ kJ/kg °C. Calcule el cambio de temperatura antes de verificar.

• Convierta $c=1.01\ \mathrm{kJ/(kg\,{}^\circ C)}=1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}$.
• Despeje $\Delta E=mc\Delta\theta$ para obtener $\Delta\theta=\Delta E/(mc)$.
  $$\Delta\theta=\frac{\Delta E}{mc}=\frac{0.0130\ \mathrm{J}}{2.60\times10^{-8}\ \mathrm{kg}\times1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}}\approx495\,{}^\circ\mathrm{C}$$
• Este valor representa el aumento, no la lectura final; para hallar la temperatura final también se necesita la temperatura inicial.

Práctica requerida 1: capacidad calorífica específica

Debes conocer esta investigación de memoria — el examen te pide describirla o evaluarla en el pupitre.

Método:

1. Mide la masa $m$ del bloque metálico con una balanza.
2. Coloca un poco de agua en el orificio del termómetro para lograr buen contacto térmico, e inserta el calentador y el termómetro.
3. Registra la temperatura inicial. Enciende la fuente de alimentación.
4. Registra la corriente $I$ y la diferencia de potencial $V$, y el tiempo $t$ durante el cual funciona el calentador. La potencia del calentador es $P = VI$ (dada en el tema 4.2; algunas preguntas solo te dan $P$).
5. La energía suministrada es $\Delta E = P t$.
6. Registre la temperatura a intervalos regulares y calcule la energía suministrada para cada instante. Grafique la temperatura frente a la energía suministrada; la parte inicial puede curvarse debido al retardo térmico.
7. Calcula $c = \dfrac{\Delta E}{m\Delta\theta}$.

Razonamiento de medición:

• Aísle el bloque (con aislamiento) para reducir la energía transferida al entorno. Si parte de la energía suministrada calienta el entorno, utilizar toda la energía suministrada como aumento de energía térmica del bloque sobreestima $c$.
• Esperar a que el termómetro se estabilice antes de leer la temperatura inicial (el contacto térmico requiere tiempo).
• Utilice la región lineal de la gráfica de temperatura frente a energía suministrada después del retardo térmico inicial. En el modelo ideal, su pendiente es $1/(mc)$. Las repeticiones ayudan a evaluar la variabilidad, pero no eliminan la pérdida sistemática de calor.
• Indique cómo el error afecta la energía medida, la masa o el aumento de temperatura. Un mal contacto del termómetro por sí solo no define la dirección del error; un aumento de temperatura subestimado produce una sobreestimación de $c$ si la energía y la masa permanecen constantes.

RP1 verificación de errores: calcule antes de predecir

Escrito por el profesor. Un bloque de 1.0 kg gana 6000 J y aumenta su temperatura en 12 °C. Calcule su $c$. Un estudiante registra únicamente un aumento de 10 °C con la misma energía y masa. Calcule la estimación resultante y explique la dirección del error.

Un aumento registrado menor da un denominador menor y una sobreestimación de $c$. Analice el cambio de temperatura registrado; no asigne una dirección de error basada únicamente en "mal contacto".

Dos motores pueden elevar la misma carga a la misma altura. El más rápido es más potente. La potencia es la tasa de transferencia de energía, o la tasa de realizar trabajo:

• $P$ potencia en W; $E$ energía transferida en J; $W$ trabajo realizado en J; $t$ tiempo en s.
• Una transferencia de energía de 1 J por segundo equivale a una potencia de 1 vatio, W.

Conversiones útiles: 1 kW = 1000 W, 1 MW = $10^6$ W, 1 GW = $10^9$ W, 1 kJ = 1000 J, 1 MJ = $10^6$ J.

Ejemplo resuelto escrito por el profesor. Un atleta de 60.0 kg asciende una altura vertical de 175 cm en 1.40 s ($g$ = 9.8 N/kg). Calcule la potencia útil promedio asociada al aumento de energía potencial gravitatoria.

• Datos conocidos: masa, altura y tiempo. La altura debe convertirse: $175\ \text{cm} = 1.75\ \text{m}$.
• Su ganancia de energía potencial gravitatoria es la energía útil transferida.
  $$E_p = m g h = 60.0\ \mathrm{kg} \times 9.8\ \mathrm{N/kg} \times 1.75\ \mathrm{m} = 1029\ \text{J}$$
• La potencia se calcula dividiendo la energía entre el tiempo en segundos.
  $$P = \frac{E_p}{t} = \frac{1029\ \text{J}}{1.40\ \text{s}} = 735\ \text{W}$$
• Comprobación: esta es la tasa de ganancia de energía potencial gravitatoria, no la transferencia total de energía química. El calentamiento y otras transferencias implican que se transfiere más energía química de la ganancia útil.

Una transferencia de energía expresada por segundo ya es una potencia: 0.343 J de energía potencial gravitatoria ganados cada segundo equivalen a 0.343 W de potencia útil. Un valor por segundo no es automáticamente salida útil; lea qué transferencia se describe.

Comparación de potencia y transferencia en exámenes

Práctica escrita por el profesor. Los motores A y B elevan cada uno 20 kg a través de 2.0 m ($g=10$ N/kg). A tarda 2.0 s; B tarda 4.0 s. Calcule sus salidas de potencia útil antes de verificar.

A transfiere la misma energía útil en la mitad del tiempo: el doble de potencia útil. La eficiencia no puede compararse sin datos de entrada.

Adaptado del Examen AQA de junio 2024, Papel 1H P02.2–02.3. Una central eléctrica tiene una salida de 500 MW. Calcule su salida de energía en 3600 s, en julios. Aquí $P=500\ \mathrm{MW}=5.00\times10^8\ \mathrm{W}$, y $P=E/t$ se reordena para dar $E=Pt$.

La comprobación de unidades indica que vatios multiplicados por segundos son julios. La sola salida no determina la eficiencia.

La energía puede transferirse de forma útil, almacenarse o disiparse, pero nunca crearse ni destruirse. La energía disipada se almacena de formas menos útiles. A menudo se denomina "perdida", pero aún existe —generalmente distribuida en depósitos térmicos del entorno.

• Para este balance energético, un sistema cerrado no intercambia energía con su entorno, por lo que su energía total no cambia. Nombre los objetos incluidos: la energía potencial gravitatoria pertenece a la interacción objeto-Tierra, no solo a la bola. Una caída ideal con resistencia despreciable transfiere energía potencial gravitatoria a energía cinética; el vacío por sí solo no define los límites del sistema.

Siga la energía a través de una caída e impacto

Modelo escrito por el profesor. Incluya una bola, la Tierra, el suelo y los alrededores cercanos. Asuma que ninguna energía cruza el límite de este sistema e ignore la resistencia del aire durante la caída. La bola comienza en reposo con 20 J de energía potencial gravitatoria relativa al suelo. Cuando esa reserva sea de 5 J, ¿cuál es la energía cinética? Tras el impacto y la estabilización, ¿dónde está la energía?

Cada fila suma 20 J. Después del impacto, la energía se distribuye en reservas térmicas en este modelo simplificado; el sonido puede transportar energía dentro de los alrededores elegidos antes de disiparse. Contar solo la bola da un sistema diferente, que puede intercambiar energía con la Tierra y el suelo. La energía que sale de un objeto no ha desaparecido.

Explicar una respuesta "inferior a la calculada"

Las preguntas de examen suelen presentar esta estructura: "la altura/velocidad/temperatura real es menor que tu resultado. Explica por qué." La justificación esperada es:

1. Identificar la causa: resistencia del aire, fricción entre partes móviles o energía transferida al entorno mediante calentamiento.
2. Indicar la consecuencia: parte de la energía del depósito de entrada se disipa en depósitos térmicos en lugar de llegar al depósito deseado.
3. Concluir: por lo tanto, llega menos energía al depósito útil.

Reducir las transferencias no deseadas de energía

• La lubricación reduce la fricción entre partes móviles, disminuyendo así la energía disipada por calentamiento.
• Aislamiento térmico reduce la transferencia de energía mediante el calor. Paredes gruesas, paredes hechas con un material de baja conductividad térmica o aislamiento en cavidades ralentizan el enfriamiento de un edificio.

Compare un factor a la vez. Con área de pared, espesor y diferencia de temperatura iguales, una mayor conductividad térmica produce una transferencia más rápida por conducción. Con el mismo material y otras condiciones, una pared más gruesa reduce esta tasa. Si tanto el espesor como la conductividad cambian en direcciones opuestas, sus descripciones solas no establecen el orden de clasificación.

Práctica requerida 2 (solo física): aislantes térmicos

Investiga la eficacia de diferentes materiales como aislantes térmicos:

1. Coloca un volumen fijo de agua caliente en un vaso con tapa.
2. Envuelve el vaso con un material (bolita de plástico, periódico, papel aluminio, algodón).
3. Registra la temperatura mientras se enfría durante un tiempo fijo (o el tiempo necesario para que descienda una cantidad fija).
4. Repita para espesores medidos iguales y áreas cubiertas de diferentes materiales; el mismo número de capas no garantiza espesores iguales.
5. Parte 2: repite para diferentes espesores (capas) de un mismo material.

Controles: mismo volumen de agua, temperatura inicial, vaso, tapa, entorno, área cubierta y tiempos de medición. Repita para evaluar la variación. Una menor caída de temperatura en un tiempo fijo indica menos enfriamiento bajo esas condiciones. Mantenga el material fijo al investigar el espesor; mantenga el espesor fijo al comparar materiales.

RP2: interpretar lecturas registradas

La figura utiliza el manual de prácticas AQA, página PDF 12. Los puntos son valores registrados unidos por líneas, no una ley de enfriamiento ajustada. En 15 min, la ejecución con cero capas cambia de 85 a 57 °C, dos capas de 86 a 62 °C y seis capas de 86 a 66 °C. Calcule las caídas antes de verificar.

Seis capas se enfrían 4 °C menos que dos capas en el mismo tiempo, partiendo de la misma temperatura inicial. Esto apoya un menor enfriamiento con mayor espesor de periódico aquí. La ejecución con cero capas comienza 1 °C más fría. Restar las temperaturas iniciales no elimina todos los efectos de condiciones de inicio desiguales; estandarícelas en una nueva investigación. Estas ejecuciones comparan espesores, no materiales diferentes.

Evaluación escrita por el profesor. El agua en un vaso cubierto con 20 mm de algodón comienza a 90 °C y termina a 75 °C tras 10 min. El agua en un vaso cubierto con 2 mm de papel aluminio comienza a 80 °C y termina a 70 °C. ¿Qué material es mejor aislante? Explique los límites y mejore el método antes de verificar.

Razonamiento. El algodón baja $90-75=15$ °C; el papel aluminio baja $80-70=10$ °C. Material, espesor y temperatura inicial difieren, por lo que ni las lecturas finales ni las caídas de temperatura aíslan el efecto del material. Utilice espesores medidos iguales y área cubierta, la misma temperatura de partida, volumen de agua, aparato y entorno; registre al mismo tiempo y repita. Concluya para las condiciones probadas, tomando en cuenta la variabilidad.

La fracción de energía de entrada que termina siendo útil es la eficiencia:

• La eficiencia puede ser un decimal (0 a 1) o un porcentaje (0 % a 100 %). El examen puede pedir cualquiera de los dos; un decimal superior a 1 o un porcentaje superior a 100 % es imposible — verifica tu respuesta con esto.
• Porcentaje desperdiciado $= 100\,\% -$ porcentaje útil.

Ejemplo resuelto escrito por el profesor. Una lámpara consume 4.0 W de potencia eléctrica y tiene una eficiencia de 0.85 para la transferencia útil de luz. Encuentre su potencia útil de luz y la potencia restante.

• Datos: entrada total y eficiencia como decimal. Despeja antes de sustituir.
  $$\text{useful power} = \text{efficiency} \times \text{total input} = 0.85 \times 4.0\ \text{W} = 3.4\ \text{W}$$
• El resto es $P_{\mathrm{other}}=P_{\mathrm{input}}-P_{\mathrm{useful}}=4.0\ \mathrm{W}-3.4\ \mathrm{W}=0.6\ \mathrm{W}$. Las salidas se suman a la entrada; no se destruye energía. La eficiencia es una razón sin unidad.

Transferencia de examen — adaptado del Examen AQA de junio 2024, Papel 1H P01.3. El Método A calienta agua en 80 °C, almacenando 33 600 kJ por cada 100 kg, y desperdicia 40%; la instalación es posible en cualquier lugar de la pregunta. El Método B bombea agua cuesta arriba 500 m, almacenando 490 kJ por cada 100 kg, desperdicia 25% y requiere montañas altas. Compare fracciones útiles, energía útil y restricciones prácticas antes de verificar.

• Porcentaje útil $= 100 - 40 = 60\ \%$.
  $$E_{useful} = \frac{60}{100} \times 33\,600\ \text{kJ} = 20\,160\ \text{kJ}$$

El Método B tiene una fracción útil de $f_B=1-0.25=0.75$ y energía útil de $E_{\mathrm{useful,B}}=f_BE_B=0.75\times490\ \mathrm{kJ}=367.5\ \mathrm{kJ}$. Es más eficiente que A (75% frente a 60%), pero A proporciona mucha más energía útil por cada 100 kg (20 160 kJ frente a 367.5 kJ). Explique ambas cantidades, la restricción de ubicación mencionada y la necesidad de aislar el agua calentada. Utilice evidencia numérica junto con las restricciones declaradas.

Eficiencia: comparar una transferencia útil claramente definida

Escrito por el profesor. Los dispositivos A y B levantan objetos y consumen cada uno 2000 W de entrada eléctrica. Sus salidas mecánicas útiles son 1700 W y 1500 W. Encuentre ambas eficiencias y su diferencia en puntos porcentuales.

La diferencia es de $85\%-75\%=10$ puntos porcentuales. A transfiere una mayor fracción al levantamiento útil; las unidades de la razón se cancelan. No confunda una diferencia en puntos porcentuales con un cambio porcentual relativo.

Razonamiento de nivel superior. La lubricación reduce la disipación por fricción en un motor de elevación; el aislamiento reduce la transferencia térmica indeseada desde el almacenamiento de agua caliente. Con una entrada fija, la reducción de transferencias indeseadas puede dejar más salida útil y una mayor eficiencia. Con una salida útil fija, $E_{\mathrm{input}}=E_{\mathrm{useful}}/\eta$, por lo que una mayor eficiencia significa menos entrada requerida. “Útil” depende de la tarea pretendida: el calor es útil para calentar una habitación y puede ser indeseable en un motor de elevación.

Los principales recursos energéticos son combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas), combustible nuclear, biocombustible, eólica, hidroeléctrica, geotérmica, mareas, el Sol y olas de agua.

Un recurso renovable se reponer mientras se usa. Los combustibles fósiles y nucleares son no renovables a escala humana. La reposición, la disponibilidad cuando se necesita y el impacto ambiental son preguntas distintas. Renovable no significa continuo ni inofensivo. Compare usos en transporte, generación de electricidad y calefacción. Las descripciones de maquinaria generadora no son necesarias aquí.

Recursos de combustible: usos y compensaciones

• Carbón, petróleo y gas: electricidad o calefacción; los derivados del petróleo son ampliamente usados en transporte. La generación depende del suministro de combustible y del mantenimiento. La combustión libera dióxido de carbono; el azufre en el combustible puede producir dióxido de azufre, contribuyendo a la lluvia ácida.
• Combustible nuclear: electricidad, usando un combustible finito. El mantenimiento y los paradas afectan la disponibilidad. No hay emisiones de CO$_2$ por combustión durante la generación, pero los residuos radiactivos requieren gestión segura.
• Biocombustible: transporte, calefacción o electricidad. Su fuente biológica puede renovarse, pero su producción requiere tierra y tiempo. La quema libera CO$_2$. El recrecimiento puede absorber CO$_2$, pero el balance global también depende del cultivo, el procesamiento y el cambio de uso del suelo; la neutralidad de carbono no es automática.

Seis otros recursos renovables

Las turbinas eólicas pueden afectar a la fauna y causar ruido; las instalaciones solares requieren espacio y materiales. Los embalses pueden inundar tierras y alterar los hábitats fluviales. El desarrollo geotérmico implica perforaciones locales. Las instalaciones de marea y olas pueden afectar a los hábitats marinos y son costosas de construir y mantener. Distinga entre impactos ambientales, restricciones técnicas y costos económicos. Las afirmaciones sobre emisiones cero durante la operación no implican impacto neto en la fabricación, construcción y eliminación.

Ejemplo resuelto: tiempo real de funcionamiento

AQA GCSE Physics June 2024 Paper 1H Q02.5 muestra una central nuclear generando durante el 92% de un año de 365 días. Con el $f$ de generación:

Aproximadamente 336 días (el esquema de esta pregunta acepta 335 o 336). La central no generó todo el año; no generalice su porcentaje a todas las centrales. Esta fracción de tiempo por sí sola no proporciona ni la salida de energía eléctrica ni la eficiencia.

Interprete una tendencia: intente, luego verifique

Datos ficticios escritos por profesores, con solo dos categorías contribuyendo a cada total:

TWh es una unidad de energía. Calcule cada total y la proporción fósil. ¿Disminuyó la cantidad de energía fósil?

Verificación:

La proporción disminuyó en 20 puntos porcentuales, pero la energía fósil aumentó en 10 TWh. Una proporción decreciente sola no puede establecer una disminución de emisiones.

Tome una decisión con evidencia

Tarea escrita por profesor: una clínica necesita electricidad toda la noche. Los paneles solares no producen salida nocturna; un generador de gas mantenido puede funcionar si se suministra combustible. La generación solar no tiene CO$_2$ por combustión; la combustión de gas libera CO$_2$. Explique el compromiso, proponga un posible suministro e identifique la evidencia faltante.

Verificación: la sola energía solar no satisface el requisito nocturno. Solar con almacenamiento cargado u otra reserva podría funcionar si la potencia y la energía almacenada cubren la demanda. El gas puede suministrar energía nocturna, con combustible y mantenimiento, pero libera CO$_2$. Verifique la demanda, capacidad de almacenamiento, condiciones de carga, suministro de combustible, costos y el sitio antes de elegir. El financiamiento es una restricción económica; el acceso a atención confiable es una preocupación social. Las normas de planificación son restricciones políticas, y compartir costos y beneficios equitativamente plantea preguntas éticas. La ciencia identifica y mide problemas; las decisiones también dependen de estas restricciones. Una conclusión debe seguir la evidencia y las prioridades declaradas; ninguna frase final genérica garantiza créditos.

Recuperación 1: vincular las ecuaciones

Escrito por el profesor: un motor consume 5.0 J en 2.0 s. Pone en movimiento un carrito de 0.50 kg desde el reposo sobre una vía horizontal. El carrito gana 4.0 J de energía cinética; el resto calienta el sistema y los alrededores. Encuentre la velocidad final, la eficiencia para acelerar el carrito, la potencia de entrada media y la transferencia de energía restante. Intente resolver antes de verificar.

Verificación: como la velocidad inicial es cero, la energía cinética final es 4.0 J.

Esos 1.0 J se transfieren mediante calentamiento. La energía se conserva.

Recuperación 2: diagnosticar tres afirmaciones

1. RP1: toda la entrada del calentador se usa como ganancia de energía del bloque, aunque parte calienta la habitación. Con masa y aumento de temperatura medido fijos, ¿qué sucede con la capacidad calorífica específica calculada?
2. RP2: cambian tanto las capas de aislamiento como el volumen de agua. ¿Por qué es insegura la conclusión sobre las capas? Indique las variables controladas.
3. Los paneles solares se llaman fuente garantizada nocturna porque la solar es renovable. ¿Qué hay de erróneo y qué provisión adicional se necesita?

Verificación:

1. $c=E_{\rm gained}/(m\Delta\theta)$. Usar la entrada mayor sobreestima $c$ en el caso enunciado.
2. Dos variables cambiadas confunden el resultado. Mantenga fijos el volumen, el recipiente, la temperatura inicial, el tiempo y los alrededores; repita las mediciones y compare las caídas de temperatura en el mismo intervalo.
3. El reabastecimiento no garantiza potencia cuando se necesita. Se requiere almacenamiento cargado adecuado u otra fuente durante la noche.

Use los términos solicitados, muestre ecuaciones y unidades, y siga la instrucción de precisión de la pregunta. Una causa y su consecuencia física son más útiles que una lista memorizada.