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FÍSICA Y QUÍMICA 4.º ESOTrabajo y energía

I.E.S. CARLOS IIII.E.S. CARLOS III

Trabajo y energía

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5

PARA EMPEZAR

ESQUEMA

INTERNET



Esquema de contenidos

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ESQUEMA INTERNET INICIO

La energía

Tipos de energía

Propiedades de la energía

La fuerza de rozamiento

¿Qué es el trabajo?

El trabajo

El trabajo modifica la energía

Potencia

Las máquinas mecánicas

Fuentes de energía

Clasificación de las fuentes de energía

Aprovechamiento de los combustibles fósiles

Aprovechamiento de la energía nuclear

Aprovechamiento de la energía hidráulica

Aprovechamiento de la energía eólica

Aprovechamiento de la energía solar térmica

Aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica

Ciclo de la energía

Consumo de energía a lo largo de la historia

Producción de energía en Europa

Producción de energía en España

Consumo de energía en España



Para empezar, experimenta y piensa

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Energía potencial Energía cinética

Dejamos caer dos bolas, una de hierro y otra de madera

desde la misma altura.

Arcilla blandaLas bolas caen a la vez.

Si con un cuentagotas vamos rellenando de

agua las huellas de cada impacto…

A

Dejamos caer la bola desde la posición A.

¿Destruirá la construcción?

¿Qué huella contendrá más gotas?



Tipos de energía

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La energía es una propiedad de los cuerpos o de los sistemas materiales que les permite producir transformaciones físicas o químicas en ellos mismos o en otros cuerpos.

Energía cinética (Energía cinética (EECC).). Es la energía que tienen los cuerpos por el hecho de estar en

movimientomovimiento. Su valor depende de la masamasa del cuerpo (mm) y de su velocidadvelocidad (vv): EECC =1/2 m·v =1/2 m·v22

Energía potencialEnergía potencial(EEPP). Es la energíaque tienen los cuerpos por ocupar una determinada posiciónposición.

Energía potencial gravitatoriaEnergía potencial gravitatoria. Es la energía que tienen los cuerpos por estar en un lugar determinado sobre el suelo terrestre. Su valor depende de la masamasa del cuerpo (mm), del valor de g en ese lugar y de la altitudaltitud a la que se encuentre sobre la superficie de la Tierra (hh). EEPP = m g h⋅ ⋅ = m g h⋅ ⋅

Energía potencial elástica. Es la energía que tienen los cuerpos que sufren una deformación. Su valor depende la constante de elasticidadconstante de elasticidad del cuerpo, k k, y de la deformacióndeformación (Δxx): EEE E = 1/2 k·(= 1/2 k·(ΔΔx)x)22

Es la energía que se transfiere cuando se ponen en contactocontacto dosdos cuerposcuerpos que están a distinta temperaturadistinta temperatura.

Es la energía debida a los enlacesenlaces que se establecen entre los átomos y demás partículas que forman una sustancia.

Es la energía que emiten los átomos cuando sus núcleos se rompennúcleos se rompen (energía de fisiónfisión) o se unenunen (energía de fusiónfusión).

Es la energía que se propaga mediante ondas electromagnéticasondas electromagnéticas, como la luz.Son ejemplo de energía radiante la energía solarenergía solar, las microondasmicroondas, los rayos Xrayos X, etc.

Energía térmicaEnergía térmica

Energía químicaEnergía química

Energía nuclearEnergía nuclear

Energía radianteEnergía radiante

Energía mecánicaEnergía mecánica Es la energía que está ligada a la posicióno al movimiento de los cuerpos. Existen dostipos de energía mecánica. La energíamecánica (EEmm) de un cuerpo es la sumasuma de sus energías cinéticacinéticay potencialpotencial.EEMM = E = ECC + E + EPP



Propiedades de la energía

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La energía se transfieretransfiere

La energía se transformatransforma

La energía se conservaconserva

Calor

En los botes, parte de la energía se transforma en calor. Se degrada porque no no

puede ser utilizada de manera útilpuede ser utilizada de manera útil.

La energía se puede almacenaralmacenar y transportartransportar

Una cocina transfiere energía térmica a la

paellera.

Las pilas almacenan energía.

La energía se degradadegrada

La energía eléctrica se transporta por el tendido eléctrico.

Cuando la chica cae, su energía potencial

se transforma en cinética.

En cada transformación, la cantidad total de energía se conserva.



Clasificación de las fuentes de energía

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Renovable ContaminanteLimpia ConvencionalAlternativaNo renovable

Geotérmica

Biomasa

Biocombustibles

Fuente de energía



Aprovechamiento de los combustibles fósiles

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Eléctrica

Entrada de combustible

La energía obtenida en la combustión se emplea en calentar agua.

Salida de residuos

gaseosos.1

Química1

2

Térmica2

3

Cinética3

El vapor hace mover la turbina.

El movimiento de la turbina se transmite a un generador que produce la corriente eléctrica.

Vapor de agua

Agua



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Aprovechamiento de la energía nuclear

Núcleo del reactor. Es la zona donde se encuentra el combustible.

1

Combustible. Suele ser óxido de uranio.

Moderador. Es un material cuya función es mantener la reacción en cadena Turbinas. El agua

se evapora y mueve las turbinas.

2

3 Generador. El movimiento de la turbina se transmite a un generador que produce la corriente eléctrica

Eléctrica

Química1

Térmica2

Cinética3



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Aprovechamiento de la energía hidráulica

Eléctrica

Potencial1

Cinética2

Embalse. Se construye en la parte superior del río.

1

Turbina. Gira debido al paso del agua

2El generador transforma esta energía mecánica en electricidad de bajo voltaje.



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Aprovechamiento de la energía eólica

Eléctrica

Cinética1

El generador es el dispositivo que transforma el movimiento de giro del multiplicador (a alta velocidad) en electricidad.

1

El rotor es el elemento que convierte la energía del viento en energía mecánica.



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Aprovechamiento de la energía solar térmica

Eléctrica

Radiante1

Térmica2

Los heliostatos. Concentran la radiación solar sobre una tubería.

1 El vapor mueve la turbina.

2

La turbina está conectada a un generador que transforma la energía mecánica en electricidad a bajo voltaje.



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Aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica

Eléctrica

Radiante1

El silicio es el principal componente de los paneles solares fotovoltaicos.

Los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el panel solar y producen un efecto fotoeléctrico. La luz incide sobre los electrones del panel y los pone en movimiento: se genera corriente eléctrica.

1



Ciclo de la energía

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Los vehículos funcionan con

derivados del petróleo.

Los restos fósiles de algunos animales marinos

forman petróleo.

Las células fotoeléctricas transforman la luz en electricidad.

Las plantas alimentan a animales y personas.

Los animales alimentan a las personas.

Fotosíntesis

Los restos fósiles de plantas forman

carbón mineral.

Los rayos solares calientan la atmósfera y evaporan mares y ríos.

Lluvias

El agua de las presas mueve los generadores y se obtiene energía

eléctrica.

Las centrales térmicas producen electricidad

a partir de un combustible.

Fabricación de pilas

Las pilas producen electricidad.

Utilización de carbón en las fábricas

Utilización de petróleo en las

fábricas

Utilización de petróleo en las

centrales térmicas

Los rayos solares calientan la atmósfera y producen los

vientos

Las centrales eólicas aprovechan la energía

del viento para producir electricidad.



Energía cinética EEccCLIC PARA CONTINUAR

• Es la energía asociada con el estado de movimiento de un cuerpo (sistema material). • Es una magnitud escalar con las mismas unidades que el trabajo. • Para un cuerpo (sistema material) de masa m que se mueve con una velocidad v la energía

cinética es:

• La unidad de energía cinética es: 1 Julio = 1 kg · m2 / s2

• El trabajo está relacionado con la energía cinética.

2c

1E mv

2

MasaMasa

VelocidadVelocidadEnergía Energía cinéticacinética



Energía potencial gravitatoria EEppCLIC PARA CONTINUAR

• Es la energía almacenada en un cuerpo (sistema material) en virtud de su posición con respecto a la superficie de la Tierra (nivel cero de referencia).

• Es una magnitud escalar que nos da una medida del potencial o posibilidad de efectuar trabajo (con sus mismas unidades).

• Para un cuerpo (sistema material) de masa mmasa m que se encuentra a una altura haltura h la energía potencial es:

• La unidad de energía potencial es:1 Julio = 1 kg · m2 / s2

• El trabajo está relacionado con la energía potencial.

pE m g h MasaMasa

alturaalturaEnergía Energía potencialpotencial Aceleración gravedadAceleración gravedad



Energía mecánica EEmm CLIC PARA CONTINUAR

• La energía mecánicaenergía mecánica EEmm de un cuerpo (sistema material) es la suma de su energía energía

cinéticacinética, debida al movimiento, EEcc, y de su energía potencialenergía potencial, EEpp, debida a su posición.

• La unidad de energía mecánica es: 1 Julio = 1 kg · m2 / s2

• El trabajo está relacionado con la energía mecánica.

2m

1E mmv

2g h



Conservación de la energía mecánica CLIC PARA CONTINUAR

Principio de conservación de la energía mecánica: Principio de conservación de la energía mecánica: Si sobre un cuerpo no actúan fuerzasno actúan fuerzas que disipendisipen o aumentenaumenten su energíaenergía, su energía mecánica se conservaenergía mecánica se conserva, es decir, permanece constantepermanece constante, aunque se produzca la conversiónconversión de energía cinéticaenergía cinética en energía potencialenergía potencial y viceversaviceversa.

El principio de conservación de la energía mecánica es muy utilizado para resolver problema reales, para ello hay que tener en cuenta las dos siguientes consideraciones:

Comprobamos que el sistema cumple las condiciones del principiocumple las condiciones del principio (no actúan fuerzas que disipan o aumentan la energía).

Calculamos la EEmm antes y después antes y después del proceso e igualamosigualamos sus valoresvalores.



Ejemplo Principio conservación de la energía mecánica

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Desde una altura de 5 m sobre el suelo se deja caer una pelota de 100 g. Aplicando el principio de conservación de la energía mecánica, calcula la velocidad de la pelota cuando se encuentra a las alturas de 3 m y 1 m antes de chocar contra el suelo.

1 m

5 m

3 m

# Para contestar al ejercicio observa la animación del primer desplazamiento.

Si elegimos el suelo, h = 0, como nivel de referencia, para la energía potencialgravitatoria, Ep(suelo)= 0, se cumplirá: Em(A) = Em(B); mghA = mghB + ½ mvB

2;vB

2 = 2g(hA-hB); vB2 = 19,6·(5-3) = 39,2; vB = 6,3 m/s.

B

A

C# Observa la animación del segundo desplazamiento.

De manera análoga, Em(A) = Em(C); mghA = mghC + ½ mvC2;

vC2 = 2g(hA-hC); vC

2 = 19,6·(5-1) = 78,4; vC = 8,9 m/s



¿TRABAJO?¿TRABAJO?La idea general y frecuente que se tiene del trabajo es muy amplio. Se asocia al hecho de realizar alguna tarea o cumplir con un cierto rol. Incluso se relaciona con toda actividad que provoca cansancio.

En físicafísica, sin embargo, el concepto de trabajo es mucho más restringido, más específico. En física se dice que una fuerza realiza una fuerza realiza trabajo cuando es capaz de desplazar un cuerpotrabajo cuando es capaz de desplazar un cuerpo. Aquí encontramos dos conceptos esenciales para el trabajo mecánico, según la física; la fuerzafuerza y el desplazamientodesplazamiento.

El motor realiza trabajo mecánico. La fuerza que aplica es capaz de mover el auto.

F F F

¿Qué es el trabajo? CLIC PARA CONTINUAR


I.E.S. CARLOS IIII.E.S. CARLOS III20

• Una fuerza realiza trabajo mecánico cuando al actuar sobre un cuerpo, lo mueve.

• El trabajo que realiza una fuerza constante F, que actúa sobre un objeto es el producto de la componente de la fuerza a lo largo del movimiento del objeto por la magnitud (valor) del desplazamiento.

• Si la fuerza forma un ángulo con el desplazamiento x, el trabajo realizado por F es:

Unidad de medida en el SI:

newton · metro = joule

1 N · m = 1 J

F

F cos

F sen

x

cosW F x

W F x





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El trabajo es la energía que se transfiere de un cuerpo (o sistema) a otro por medio de una fuerza que provoca un desplazamiento. En el SI se mide en julios

(J).

El chico hace un gran esfuerzo con la

mochila, pero no realiza ningún trabajo.

El chico que arrastra la mochila, si realiza un trabajo, pues aplica

una fuerza que provoca el desplazamiento de la mochila.

DesplazamientoPeso

Peso

FX

→αF

→

FX

→

Faplicada

Faplicada

W = F · cosα · x =

Fx

Fx · x El trabajo, W, que una fuerza constante realiza sobre un cuerpo (sistema) se define como el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento por el desplazamiento.

α FX

→F→



Criterio de signos para el trabajo

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• El trabajo puede se positivopositivo, negativonegativo o cerocero dependiendo del ángulo que forman la fuerza y el desplazamiento.

• El signo del trabajo depende de la dirección relativa entre la fuerza y el desplazamiento:– El trabajo es positivotrabajo es positivo cuando la componente de la fuerza Fcomponente de la fuerza F y el desplazamientodesplazamiento tienen el

mismo sentidomismo sentido.– El trabajo es negativoes negativo cuando la componente de la fuerzacomponente de la fuerza FF y el desplazamientodesplazamiento tienen

sentidos opuestossentidos opuestos.



La fuerza de rozamiento

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El trabajo de la fuerza de rozamiento siempre es negativo, pues la fuerza de rozamiento siempre se opone al movimiento.

Wroz = F roz· x · cos 180º = - Froz· x

F→

Froz

→

P→

N→




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ααS2

S1

d1

d2

Las máquinasmáquinas son dispositivos diseñados para vencer una fuerzafuerza (resistenciaresistencia) mediante la aplicación de otra fuerzafuerza (potenciapotencia), generalmente inferior.

• Transforman una energía o un trabajo en otro que resulte más provechoso.

PALANCA PLANO INCLINADO

F1

→

F2

→

h hd1 d2

F1

→F2

→

F2

→F1

→<

En una máquina idealmáquina ideal (que no existe) se cumple el siguiente principio: el trabajo resistente trabajo resistente WWrr

(realizado por la resistencia) es del mismo valor y de signo contrario al trabajo motor trabajo motor WWmm (realizado por la potencia).

Se llama rendimiento de una máquina (η) a la relación entre el trabajo útil que se obtiene y el trabajo aplicado o trabajo motor.



La palanca

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• Una palanca es un cuerpo rígidorígido (barra), que se apoya sobre un punto fijo, llamado fulcrofulcro.

• La condición de equilibriocondición de equilibrio exige que el producto de la fuerza (potencia)fuerza (potencia) por su distancia al fulcro sea igual que el producto de la fuerza (resistencia)fuerza (resistencia) por su distancia también al fulcro, es la fórmula de la ley de la palanca:ley de la palanca:

• El fulcrofulcro está situado entreentre la Potencia (FPotencia (F11)) y la

Resistencia (FResistencia (F22)). Ejemplos: balancín y tijeras.

• La Resistencia (FResistencia (F22)) se aplica entreentre el fulcrofulcro y la

Potencia (FPotencia (F11)). Ejemplos: carretilla y cascanueces. • La Potencia (FPotencia (F11)) se aplica entreentre el fulcrofulcro y la

Resistencia (FResistencia (F22). ). Ejemplo: las pinzas.

FF11 · l · l11 = F = F22 · l · l22




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• En la polea ideal sin rozamiento la potencia y la resistencia son igualesla potencia y la resistencia son iguales. La ventaja de su uso radica en que podemos subir los cuerpos con mayor facilidadsubir los cuerpos con mayor facilidad. La fuerza que debemos ejercer es la misma que si los subimos directamente

• FP = FR



Relación entre trabajo y energía

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• Cuando un sistema realiza trabajotrabajo sobre otro, se transfiere energía entre ambos: se transfiere energía entre ambos: el sistema que realiza trabajo pierderealiza trabajo pierde parte de su energíaenergía, que pasa al sistema sobresobre el cual se realiza se realiza ese trabajoese trabajo incrementandoincrementando así su energía.energía.



Relación entre trabajo y energía

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Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza verticalfuerza vertical que le hace

desplazarse en esa misma dirección con velocidad constante, el trabajotrabajo

desarrollado coincidecoincide con la variación de energía potencialvariación de energía potencial que

experimenta el cuerpo.W W = ∆= ∆EEPP

Cuando sobre un cuerpo actúa un fuerzafuerza que le provoca un

desplazamientodesplazamiento en su misma dirección, el trabajotrabajo desarrollado

coincidecoincide con la variación de variación de energía cinéticaenergía cinética que

experimenta el cuerpo. WWFF = ∆ = ∆EECC Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerzafuerza que

provoca cambioscambios en su velocidadvelocidad y en su posiciónposición, el trabajotrabajo de esa fuerza es igualigual a

la variación de energía mecánicavariación de energía mecánica que experimenta el cuerpo.

WWFF = ∆ = ∆EEmm = ∆ = ∆EEcc + ∆ + ∆EEpp

F→

P→

F→

h2

h1

Trabajo / Energía cinéticaTrabajo / Energía potencial

Trabajo / Energía mecánica

P→

F→



Relación entre trabajo y energía cinética.

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mΣFx

Δx

vi vf

TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVASTEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS

El El trabajo realizadotrabajo realizado sobre un cuerpo o sistema se invierte en sobre un cuerpo o sistema se invierte en aumentar su energía cinéticaaumentar su energía cinética (si no (si no incrementa su energía en otras formas). incrementa su energía en otras formas).

Para una Para una ΣΣFFxx cte: cte:

W = W = ΣΣFFxx · · ΔΔx x

W = (m.a) ·W = (m.a) ·ΔΔxx

De la segunda

Ley de Newton

F m a F y x tienen igual

dirección y sentido

cos es el coseno de 0

2 2

2

f iv v

ax

2 2 2 f i

Recordemos de cinemática:

v v a x

2 2 2 2

2 2

f i f iv v (v v )W m x m

x

2 21 1

2 2 f iW m v m v

Dado que la expresión ½ m·v½ m·v22

representa la “energía cinéticaenergía cinética” (Ec),

““El trabajo realizado por una El trabajo realizado por una ΣΣFFxx es igual a la es igual a la

ΔΔEEcc del cuerpo (sistema material), cuando del cuerpo (sistema material), cuando

solo provoca variación en su velocidad.”solo provoca variación en su velocidad.”

f ic c cW E E E



Relación entre trabajo y energía potencial

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En ocasiones el trabajo realizado sobre un sistema se utiliza para y incrementar la energía potencialincrementar la energía potencial. Como, por ejemplo, al elevar un cuerpo. Como en el caso de la energía cinética, existe una relación entre el trabajo y la energía potencial

W = W = ΣΣFFxx · · ΔΔx = p · x = p · ΔΔh h = m · g · = m · g · ΔΔh h

W = m · g · (hW = m · g · (hff – h – hii ) = m · g · h ) = m · g · hff – m · g · h – m · g · hii

Ejercemos una fuerza

igual al peso:

F p m g f i

x es la diferencias

de alturas h h h

W = m · g · hW = m · g · hff – m · g · h – m · g · hii

Dado que la expresión m·g·hm·g·h

representa la “energía potencialenergía potencial” (Ep),

f ip p pW E E E

““El trabajo realizado por la fuerza ejercida El trabajo realizado por la fuerza ejercida para vencer el peso para vencer el peso ΣΣF = m · gF = m · g es igual a la es igual a la ΔΔEEpp del cuerpo (sistema material)” del cuerpo (sistema material)”

- mg

- mg

hf

hi

hmg

mg

Trabajo realizado al elevar un cuerpo.



Relación entre trabajo y la conservación de la energía mecánica

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En el caso más general, el trabajo realizado sobre un sistema se invierte en aumentar la energía cinética y la aumentar la energía cinética y la energía energía potencialenergía energía potencial. Como, por ejemplo, al despegar un avión.

El trabajo mecánico realizado por el motor del avión durante le despegue sirve para aumentar la energía mecánica. El avión sube (Ep) y también adquiere mayor velocidad (Ec).

Combinando:

Teorema de las fuerzas vivasTeorema de las fuerzas vivas Relación entre trabajo y energía potencialRelación entre trabajo y energía potencial

Llegamos a la siguiente expresión:

W = ΔEc + ΔEp = ΔEm

““El trabajo realizado sobre un cuerpo (sistema El trabajo realizado sobre un cuerpo (sistema material) se invierte en aumentar su energía mecánica, material) se invierte en aumentar su energía mecánica, ΔΔEEmm, suma de cinética y potencial ”, suma de cinética y potencial ”

CONSECUENCIA IMPORTANTE: CONSECUENCIA IMPORTANTE:

Si el trabajo vale cero trabajo vale cero ((ΣΣFFxx = 0, = 0, ΔΔx = 0, x = 0, ΣΣFFxx ┴┴ ΔΔx),x), la variación de energía mecánica es cero la variación de energía mecánica es cero, lo que significa que se conservase conserva, y que la sumasuma de EEcc y EEpp vale lo mismomismo en cada punto. (Principio de conservación de la cada punto. (Principio de conservación de la

energía mecánica).energía mecánica).



Consumo de energía a lo largo de la historia

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Homo sapiens (150000 a.C.)

Uso del arco y del fuego

(40000 a.C.)

Hombre agricultor y sedentario

(10000 a.C.)

Hombre preindustrial

(hasta el siglo XVIII)

Hombre industrial

(XVIII - primera mitad del XX)

Hombre actual

Alimento

Uso doméstico y servicios

Industria y agricultura

Transporte



%

0

5

10

15

20

25

30

35

40

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Energía nuclear Petróleo y derivados Gas natural Energías renovables Carbón

30,3 %

19,6 %

25,2 %

12,1 % 12,8 %

Producción de energía en Europa



Producción de energía en España

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Año 2006 Carbón

Petróleo

Gas natural

Nuclear

Hidráulica

Otras renovables

19,5%

0,4%

0,2%

49,0%

16,9%

23,9%



Consumo de energía en España

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Año 2006

Carbón

Petróleo y derivados

Gas

Electricidad2,1%

57,8%

15,8%

20,4%

3,9%

Energías renovables



Potencia

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La potencia (PP) relaciona el trabajo realizado con el tiempo que se emplea en ello:

ΡΡ = W / t= W / t ; ΡΡ = E / t= E / t ; En el SI la potencia se mide en vatios (WW).

Potencia y velocidad

P = W F · x

= tt

= F · v

Potencias típicas de algunas máquinas.

Otra unidad de potencia muy utilizada, sobretodo en los países anglosajones, es el “caballo de vapor”

CVCV o HPHP, su relación con el vatio es la siguiente:

1 CV = 735 W1 CV = 735 W

La potencia sirve para cuantificar la rapidez rapidez de los intercambios de energíade los intercambios de energía. Una potencia grande significa que se realiza una gran cantidad de trabajo en poco tiempo.

A partir de la potencia se define una unidad de energíaunidad de energía muy utilizada: kilovatio-hora (kWh).1kWh = 1000 W · 3600 s = 3,6 · 106 J



Enlaces de interés

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Energía

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Trabajo, potencia y energía

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