FÍSICA · ENERGÍA Y TRANSFORMACIONES
Una pelota que rueda, hielo que se derrite y una lámpara encendida muestran distintas maneras de almacenar, transferir y transformar energía. En estos ejemplos podrás identificar de dónde viene, qué cambia y cómo calcularla cuando se conocen los datos.
Es una magnitud escalar que se mide en joules o julios (J). Puede estar asociada al movimiento, a la configuración de un sistema y a sus propiedades microscópicas. Se transfiere y se transforma; la energía total de un sistema aislado se conserva.
EJEMPLO 01
Una pelota de 0,50 kg se desplaza a 4 m/s respecto del suelo. Calcula la energía asociada al movimiento de su centro de masa.
E cinética = ½mv² = ½ × 0,50 × 4² = 4 J.
Resultado: Su energía cinética de traslación es 4 J
Condiciones: Si además rueda, tiene energía de rotación: los 4 J calculados no incluyen esa contribución. La rapidez se mide respecto de un marco elegido.
EJEMPLO 02
Un libro de 2 kg está a 1,5 m de altura. Elige energía potencial cero al nivel del suelo y usa g = 9,8 m/s².
E potencial = mgh = 2 × 9,8 × 1,5 = 29,4 J.
Resultado: La energía potencial gravitatoria es 29,4 J respecto del suelo
Condiciones: Es energía del sistema libro–Tierra. La altura y el nivel de referencia importan; el libro puede tener energía potencial tanto en reposo como en movimiento.
EJEMPLO 03
Un resorte ideal de constante k = 200 N/m se comprime 0,10 m desde su longitud natural.
E elástica = ½kx² = ½ × 200 × 0,10² = 1 J.
Resultado: Almacena 1 J de energía potencial elástica
Condiciones: Se aplica en el intervalo lineal de la ley de Hooke. Al liberarlo, esa energía puede convertirse en movimiento; en un resorte real también puede disiparse parte.
EJEMPLO 04
Se funden 0,10 kg de hielo inicialmente a 0 °C. Usa calor latente de fusión L = 334 000 J/kg.
Q = mL = 0,10 × 334 000 = 33 400 J.
Resultado: Absorbe 33 400 J sin aumentar su temperatura durante la fusión
Condiciones: Hielo puro a presión atmosférica, con fases sólida y líquida coexistiendo. El aporte cambia la organización microscópica; no exige que la temperatura suba durante esa etapa.
EJEMPLO 05
Durante la descarga, las transformaciones químicas de una pila mantienen una diferencia de potencial. El circuito alimenta la lámpara y parte de la energía termina en luz y parte en energía interna.
Resultado: La energía química permite transferir energía al circuito
Condiciones: La energía no aparece por el simple contacto entre sustancias. No todas las reacciones liberan energía al entorno; algunas requieren un aporte neto.
EJEMPLO 06
Un fluido cruza una entrada con presión uniforme de 200 000 Pa. Para introducir un volumen de 0,002 m³, la presión de entrada realiza trabajo sobre ese volumen.
Trabajo de flujo = pV = 200 000 × 0,002 = 400 J.
Resultado: El trabajo de flujo de este volumen es 400 J
Condiciones: Es una contribución del balance de un sistema abierto, no toda la energía del fluido ni el trabajo neto de una bomba. El fluido también lleva energía interna, cinética y potencial; la entalpía reúne energía interna y trabajo de flujo. El material de la tubería afecta las pérdidas, no define pV.
EJEMPLO 07
La combustión cambia la energía química del sistema. Los gases ejercen fuerzas sobre los pistones, que transmiten trabajo al cigüeñal y a la transmisión.
Resultado: La energía del combustible se transforma y se reparte
Condiciones: No toda la energía disponible se convierte en movimiento útil: también aumenta la energía interna del motor y se transfiere energía al entorno. La energía mecánica no se limita a máquinas: es la suma de cinética y potencial del sistema considerado.
EJEMPLO 08
Un aparato consume una potencia eléctrica constante de 100 W durante 30 minutos.
Tiempo: 30 min = 1 800 s = 0,50 h.
E = Pt = 100 × 1 800 = 180 000 J.
En kWh: 0,100 kW × 0,50 h = 0,050 kWh.
Resultado: Recibe 0,050 kWh, equivalentes a 180 000 J
Condiciones: Es energía recibida, no necesariamente energía útil. Un microondas la utiliza para calentar; un refrigerador usa trabajo para trasladar energía térmica del interior al exterior; una lavadora la reparte entre movimiento y, si corresponde, calentamiento.
EJEMPLO 09
En una central de vapor, la combustión aporta energía al agua. El vapor se expande en una turbina, cuyo eje mueve un generador eléctrico.
Resultado: El combustible permite accionar un generador
Condiciones: La presión no es una forma de energía cinética. La energía del vapor incluye energía interna y trabajo de flujo. El proceso también transfiere energía al ambiente; el generador transforma energía, no la crea.
EJEMPLO 10
Considera 100 kg de agua que descienden 10 m cerca de la superficie terrestre. Usa g = 9,8 m/s².
Disminución de energía potencial: mgΔh = 100 × 9,8 × 10 = 9 800 J.
Resultado: El descenso libera 9 800 J de energía potencial
Condiciones: Esta cifra es la energía gravitatoria disponible en el modelo, no la electricidad obtenida. Las pérdidas y la eficiencia de turbina y generador reducen la salida eléctrica. También hay aprovechamientos hidroeléctricos sin una gran presa.
EJEMPLO 11
Se calienta 1 kg de agua de 20 a 40 °C. Usa c = 4 180 J/(kg·°C).
ΔT = 40 − 20 = 20 °C.
Q = mcΔT = 1 × 4 180 × 20 = 83 600 J.
Resultado: El agua recibe aproximadamente 83 600 J
Condiciones: Sin cambio de fase y con calor específico aproximado constante. El cálculo corresponde solo al agua: la estufa debe aportar además lo necesario para la olla y las pérdidas.
EJEMPLO 12
Un módulo fotovoltaico recibe radiación del Sol y produce una salida eléctrica. Las células semiconductoras convierten parte de la energía de la luz.
Resultado: La radiación solar se transforma en energía eléctrica
Condiciones: Solar nombra la fuente; radiante describe la energía transportada por radiación. Un colector solar térmico, en cambio, aprovecha esa radiación para calentar un fluido. No son el mismo dispositivo.
EJEMPLO 13
El viento hace girar el rotor mediante fuerzas aerodinámicas sobre sus palas. El movimiento se transmite al generador y se obtiene energía eléctrica.
Resultado: Parte de la energía cinética del aire pasa al generador
Condiciones: Eólica nombra el origen en el viento. El aire sigue moviéndose después del rotor: no se extrae toda su energía cinética. El rendimiento varía con las condiciones de operación.
EJEMPLO 14
La división de ciertos núcleos pesados produce fragmentos y otras partículas; parte de la energía liberada se deposita en el material del reactor y se utiliza para obtener calor y, después, electricidad.
Resultado: La fisión aporta energía que acaba accionando una turbina
Condiciones: La fisión divide núcleos; no consiste simplemente en sacar partículas una a una. La fusión combina núcleos ligeros, como ocurre en el Sol. En ambos procesos cambia la energía asociada a la configuración de los núcleos.
EJEMPLO 15
En un géiser, el agua subterránea se calienta y puede salir acompañada de vapor. En instalaciones geotérmicas adecuadas, se aprovecha energía del subsuelo para calefacción o generación eléctrica.
Resultado: El origen es la energía interna de la Tierra
Condiciones: Un géiser es una manifestación natural, no una central eléctrica. El aprovechamiento depende del recurso y la tecnología; observar el fenómeno no requiere aproximarse al agua o al vapor.
EJEMPLO 16
Una bobina ideal tiene inductancia L = 0,20 H y lleva una corriente I = 2 A.
E magnética = ½LI² = ½ × 0,20 × 2² = 0,40 J.
Resultado: Su campo magnético almacena 0,40 J
Condiciones: Inductancia constante. La energía se suministró al establecer la corriente. Un campo no es un conjunto de fuerzas ni atrae por igual a todos los metales; la magnetita ilustra magnetismo natural, pero no una fuente inagotable de energía.
EJEMPLO 17
Una antena emisora alimentada por un circuito radia ondas electromagnéticas. Una antena receptora puede captar una pequeña parte de esa energía.
Resultado: La radiación transporta energía electromagnética
Condiciones: Radio, infrarrojo, visible, ultravioleta y rayos X pertenecen al mismo espectro. La energía electromagnética no se reduce a radiación invisible ni a magnetismo generado por un conductor.
EJEMPLO 18
Una bombilla incandescente recibe energía del circuito. El filamento caliente emite luz visible y radiación infrarroja; también se transfiere energía al entorno.
Resultado: La energía eléctrica se transforma en radiación y energía interna
Condiciones: La energía radiante no se limita a la luz visible. Para fotones de una misma frecuencia, la energía total aumenta con su número; la energía de cada fotón también depende de la frecuencia. La fotografía ilustra una bombilla, no un panel fotovoltaico.
EJEMPLO 19
Una caja de 2 kg se desliza horizontalmente a 3 m/s y se detiene por rozamiento, sin otras transferencias relevantes.
E cinética inicial = ½ × 2 × 3² = 9 J.
Al detenerse: E cinética final = 0 J.
Resultado: Sus 9 J de energía cinética se transforman
Condiciones: En el modelo, la energía interna conjunta de caja y suelo aumenta 9 J. La energía mecánica disminuye, pero la energía total no desaparece.
EJEMPLO 20
Durante un intervalo, un motor recibe 100 J eléctricos y entrega 75 J de trabajo al eje. El resto se transfiere al entorno como energía térmica.
E recibida = 75 J + 25 J = 100 J.
Rendimiento = 75/100 × 100 = 75 %.
Resultado: Entrega 75 J útiles por cada 100 J recibidos
Condiciones: Se supone que no cambia la energía almacenada en el motor y que esas son todas las salidas. Los 25 J no desaparecen: resultan menos aprovechables para el objetivo de mover el eje.
En un balance, el cambio de energía almacenada es la energía que entra menos la que sale. Para un sistema aislado, la energía total permanece constante. La energía mecánica puede disminuir por rozamiento mientras aumenta la energía interna.
Para resolver un ejercicio, elige el sistema, identifica las transferencias y declara las aproximaciones. En mgh, indica el nivel de referencia; en ½mv², el marco respecto del cual mides la rapidez. Los números de esta colección son datos didácticos, no mediciones de las fotografías.
Cinética, potencial, interna, química y energía de los campos describen aspectos físicos de la energía. Solar, eólica, hidráulica y geotérmica señalan su origen o aprovechamiento. Estas etiquetas pueden superponerse: la energía eólica aprovecha la cinética del aire; la solar que llega en forma de luz es radiación electromagnética.
La energía mecánica reúne energía cinética y potencial del sistema, aunque no haya maquinaria. La energía eléctrica puede almacenarse en campos y transferirse mediante un circuito; no se crea simplemente porque circulen electrones.
La energía radiante es transportada por radiación electromagnética, visible o invisible. Un campo magnético también puede almacenar energía sin que estemos describiendo una onda propagándose. El trabajo de flujo pV es un término de los balances de fluidos, no una nueva fuente de energía.
Las fuentes renovables y no renovables constituyen otra clasificación. Un generador, un panel o una turbina convierte energía; no produce energía a partir de la nada. Para describir un proceso, identifica tanto la fuente como las transformaciones que ocurren.
CONTRASTE 01
Dos aparatos reciben 600 J: uno en 10 s y otro en 30 s. La energía es igual, pero la rapidez de transferencia cambia.
P₁ = 600/10 = 60 W.
P₂ = 600/30 = 20 W.
Resultado: El vatio mide energía por tiempo
Condiciones: 1 W = 1 J/s. El kWh es energía: 1 kWh = 3 600 000 J. No se escribe kW/h para el consumo de energía.
CONTRASTE 02
La disolución de una sustancia puede liberar o absorber energía. La dilución de ácido clorhídrico concentrado en agua libera calor, pero ese caso no demuestra que todas las reacciones sean exotérmicas.
Resultado: El balance depende del proceso y de las sustancias
Condiciones: El intercambio de calor depende de las sustancias, sus concentraciones y las condiciones. Energía química, reacción química y disolución no son términos equivalentes.
Selección y desarrollo: Editorial Ejemplode. Revisión: 7 de octubre de 2026.