Energía: almacenada, transferida y desperdiciada
Nada consume energía — la energía solo se mueve entre almacenes y se pierde en el camino. Esta sección nombra los almacenes y transferencias, mide la eficiencia con diagramas de Sankey, sigue el calor por conducción, convección y radiación, vincula trabajo, energía potencial gravitatoria y energía cinética, y (P) evalúa cómo se genera la electricidad.
Física Edexcel International GCSE 4PH1, Sección 4 (enunciados 4.1–4.19P). Unidades: joule (J), vatio (W), newton (N) y (P) J/kg °C.
Transferencias de energía
Ocho almacenes: químico, cinético, gravitatorio, elástico, térmico, magnético, electrostático, nuclear. Cuatro vías de transferencia: mecánicamente, eléctricamente, por calentamiento, por radiación (luz y sonido). La energía es conservada — el total no cambia; los dispositivos simplemente desvian parte de ella desde el almacén deseado hacia otros no deseados.
Ejemplo resuelto. La lámpara anterior: eficiencia $= 10/100 \times 100 = 10\%$.
Transferencia de energía térmica
El calor se transfiere de tres formas, cada una con su propio mecanismo y cada una contrarrestada por una defensa diferente.
Conducción: las vibraciones de las partículas transfieren energía a lo largo de un sólido — rápida en metales (electrones libres). Convección: el fluido se calienta, se expande, se vuelve menos denso y asciende; el fluido más frío desciende para reemplazarlo — brisas marinas, radiadores que calientan habitaciones. Radiación: las ondas infrarrojas viajan a través del vacío; superficies oscuras y opacas son los mejores emisores y absorbentes; las superficies claras y brillantes reflejan. Reducir la transferencia no deseada: aislamiento (paredes huecas, áticos, doble acristalamiento reducen la conducción y la convección; el papel aluminio brillante refleja la radiación).
Trabajo, potencia y ecuaciones de energía
El trabajo realizado es igual a la energía transferida. Al caer, la EPGrave se convierte en Ecin (menos trabajo contra la resistencia del aire).
Ejemplo resuelto. Un libro de 2 kg levantado 1.5 m con g = 10 N/kg: $GPE = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J. Al dejarlo caer, al llegar al suelo $KE = 30$ J → $v = \sqrt{2 \times 30/2} = \sqrt{30} \approx 5.5$ m/s. Una lámpara de 60 W funcionando durante 10 s: $W = 60 \times 10 = 600$ J.
Recursos energéticos y generación de electricidad (P)
Cada central eléctrica es una cadena de transferencia de energía desde un almacén hasta la electricidad; la tabla nombra las siete que exige el programa.
| Método | Transferencia de energía | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|---|
| eólica | cinética → eléctrica | renovable, sin coste de combustible | intermitente, impacto visual/acústico |
| hidroeléctrica | gravitacional → eléctrica | renovable, suministro instantáneo | inunda valles, pocos sitios disponibles |
| geotérmica | térmica → eléctrica | renovable, constante | pocos lugares adecuados |
| calefacción solar | térmica (agua caliente) | renovable, sin coste de funcionamiento | dependiente del día/nubes |
| células solares | lumínica → eléctrica | renovable, silenciosa | costosa, baja intensidad de salida |
| combustibles fósiles | química → térmica → eléctrica | fiable, concentrada | emisiones de CO₂, no renovable |
| nuclear | nuclear → térmica → eléctrica | gran energía por kg, sin CO₂ | residuos radioactivos, desmantelamiento |
Compruébalo tú mismo
- Nombra cuatro almacenes de energía y dos vías de transferencia.
- Un motor consume 500 J y entrega 350 J de trabajo útil. Calcula la eficiencia.
- Nombra los tres métodos de transferencia térmica y el que no necesita un medio.
- ¿Qué superficies emiten radiación infrarroja mejor?
- Indica dos formas en las que una casa reduce la pérdida indeseada de calor.
- Calcula el trabajo realizado por una fuerza de 40 N que se desplaza 3 m.
- Calcula la energía cinética de un coche de 800 kg a 20 m/s.
- Un calentador transfiere 12 000 J en 30 s. Calcula su potencia.
- (P) Da una ventaja y una desventaja cada una de la energía eólica y la nuclear.
- (P) ¿Cuáles son los dos métodos renovables que extraen energía ya almacenada como calor en el suelo o en agua en caída?
Respuestas: 1 química, cinética, gravitatoria, térmica (también elástica, magnética, electrostática, nuclear); mecánica y eléctrica (también calefacción, radiación); 2 $350/500 \times 100 = 70\%$; 3 conducción, convección, radiación — la radiación no necesita un medio; 4 superficies oscuras y mate (negro opaco); 5 aislamiento en ático/muros huecos y doble acristalamiento (también lámina reflectante, cortadores de corrientes); 6 $W = 40 \times 3 = 120$ J; 7 $KE = \frac{1}{2} \times 800 \times 400 = 160\,000$ J; 8 $P = 12\,000/30 = 400$ W; 9 (P) eólica — renovable sin coste de combustible, pero intermitente e intrusiva visualmente; nuclear — gran energía por kilogramo sin CO₂, pero requiere almacenamiento seguro de residuos radiactivos durante siglos; 10 (P) geotérmica (calor del suelo) e hidroeléctrica (almacenamiento gravitatorio del agua).