Lo que vas a aprender
La energía es la capacidad de realizar trabajo o causar un cambio. En esta lección vas a aprender:
- las principales formas de energía y cómo reconocerlas;
- la ley de conservación de la energía: la energía cambia de forma, pero el total nunca cambia;
- las tres maneras en que se mueve el calor: conducción, convección y radiación;
- cómo las ondas transportan energía, incluidos el sonido y el espectro electromagnético;
- la diferencia entre fuentes de energía renovables y no renovables.
Cómo aparece en el GED®: Las ciencias físicas son cerca del 40% del examen de Ciencias, y la energía es uno de sus tres temas principales. Espera varias preguntas basadas en un experimento corto, un diagrama, una tabla de datos o una gráfica lineal. Algunas te piden nombrar una transformación de energía; otras te piden leer una gráfica o hacer un cálculo de un solo paso. En el GED®, la fórmula que necesitas casi siempre aparece en la pregunta o en una hoja de referencia, así que tu trabajo es escoger los números correctos y sustituirlos.
Términos clave
- energía: la capacidad de realizar trabajo o causar un cambio; se mide en julios (J).
- energía cinética (KE): energía del movimiento (una bola de boliche que rueda).
- energía potencial (PE): energía almacenada por la posición o el estado de algo (un libro en un estante alto; una liga estirada).
- energía química: energía almacenada en los enlaces de las sustancias (alimentos, gasolina, baterías).
- energía térmica: energía del movimiento desordenado de las partículas; la sentimos como calor (una estufa caliente).
- energía radiante: energía transportada por ondas electromagnéticas, como la luz (la luz del sol).
- energía eléctrica: energía transportada por cargas eléctricas en movimiento (la corriente en un cable).
- ley de conservación de la energía: la energía no se puede crear ni destruir, solo cambiar de forma.
- eficiencia: el porcentaje de la energía de entrada que se convierte en energía útil de salida.
- conducción: calor que se mueve por contacto directo (una cuchara de metal en una sopa caliente se calienta).
- convección: calor que se mueve por corrientes en un líquido o un gas (el aire tibio que sube de un calentador).
- radiación: energía que se mueve como ondas electromagnéticas, incluso a través del espacio vacío (sentir el calor del Sol).
- longitud de onda: distancia desde una cresta de una onda hasta la siguiente.
- frecuencia: número de ondas que pasan por un punto cada segundo; se mide en hercios (Hz).
- amplitud: la altura de una onda; mayor amplitud significa más energía (un sonido más fuerte).
- renovable / no renovable: se repone de forma natural (el viento) / la cantidad es limitada (el carbón).
Formas de energía y conservación
La energía existe en muchas formas, pero se agrupan en dos grandes familias:
| Familia | Ejemplos |
|---|---|
| Cinética (movimiento) | carros en movimiento, agua que corre, viento, sonido, energía térmica (partículas en movimiento), energía eléctrica (cargas en movimiento) |
| Potencial (almacenada) | gravitacional (altura), elástica (un resorte estirado), química (alimentos, combustible, baterías), nuclear (dentro de los átomos) |
La regla más importante es la ley de conservación de la energía: la energía nunca se crea ni se destruye. Cuando parece que algo "gasta" energía, la energía solo cambió de forma. Sigue la cadena:
- Motor de un carro: energía química de la gasolina → energía térmica → energía cinética del carro (más mucho calor y sonido desperdiciados).
- Panel solar: energía radiante del Sol → energía eléctrica.
- Presa hidroeléctrica: energía potencial gravitacional del agua en lo alto → energía cinética del agua que cae → energía eléctrica en un generador.
En toda transformación real, parte de la energía se convierte en energía térmica que se dispersa y es difícil de aprovechar. La eficiencia mide cuánta energía es útil. Si un foco recibe 100 J de energía eléctrica y produce 15 J de luz, tiene una eficiencia del 15%. Los otros 85 J siguen existiendo, sobre todo como calor.
La energía potencial y la cinética se intercambian. Una pelota lanzada hacia arriba pierde velocidad porque la energía cinética se convierte en energía potencial; al bajar, el intercambio se invierte. En los diagramas de montañas rusas y péndulos, el punto más bajo tiene la mayor energía cinética (la mayor rapidez) y el punto más alto tiene la mayor energía potencial.
Cómo se mueve el calor: conducción, convección, radiación
El calor es energía térmica que pasa de un objeto más caliente a uno más frío. Siempre fluye de lo caliente a lo frío, nunca al revés, hasta que los dos llegan a la misma temperatura. Una bebida fría no "suelta frío"; se calienta porque el calor fluye hacia ella desde el aire.
| Tipo | Cómo funciona | Ejemplo cotidiano |
|---|---|---|
| Conducción | Las partículas chocan con sus vecinas y pasan la energía; necesita contacto directo. Funciona mejor en sólidos, sobre todo en metales. | El mango de metal de una sartén se calienta; tu mano siente frío en un barandal de acero. |
| Convección | Un líquido o gas tibio se vuelve menos denso y sube; el fluido más frío baja a ocupar su lugar y se forma una corriente. | El agua hirviendo se agita; el aire tibio sube de un calentador; las brisas del mar. |
| Radiación | La energía viaja como ondas electromagnéticas (sobre todo infrarrojas). No necesita materia. | La luz del sol calienta la Tierra a través del espacio; sientes calor junto a una fogata. |
Los conductores (metales) dejan pasar el calor rápidamente. Los aislantes (espuma, lana, plástico, aire atrapado) lo hacen más lento. Un vaso de espuma mantiene el café caliente y una bebida fría fría, porque frena el paso del calor en ambas direcciones.
Cómo medir el calor. El calor que gana o pierde una sustancia depende de su masa, del material del que está hecha y de cuánto cambia su temperatura: Q = mc\Delta T. El agua tiene un calor específico alto (c \approx 4.18 J/g·°C): se necesita mucha energía para calentarla, y por eso los océanos mantienen templado el clima de las ciudades costeras.
Ondas: sonido, luz y el espectro electromagnético
Una onda transporta energía sin transportar materia. Toda onda tiene una longitud de onda, una frecuencia y una amplitud.
Dos tipos de ondas:
- Las ondas mecánicas necesitan un medio (sólido, líquido o gas). El sonido es una onda mecánica: es una serie de compresiones en el aire, el agua o los sólidos. Por eso no hay sonido en el espacio exterior. El sonido viaja a unos 343 m/s en el aire, más rápido en el agua y aún más rápido en sólidos como el acero. Mayor frecuencia = tono más agudo; mayor amplitud = sonido más fuerte.
- Las ondas electromagnéticas (EM) no necesitan medio. Todas viajan a la velocidad de la luz, unos 3.0 \times 10^8 m/s en el vacío. Mayor amplitud significa luz más brillante.
El espectro EM, de longitud de onda larga a corta: radio → microondas → infrarrojo → visible → ultravioleta → rayos X → rayos gamma. Un truco para recordarlo (en inglés): "Raging Martians Invaded Venus Using X-ray Guns." Al ir de las ondas de radio a los rayos gamma:
- la longitud de onda se hace más corta;
- la frecuencia se hace más alta;
- la energía de cada onda se hace mayor (por eso los rayos UV, los rayos X y los rayos gamma pueden dañar las células vivas, y las ondas de radio no).
La luz visible es una franja muy pequeña en el medio: el rojo tiene la longitud de onda más larga y el violeta la más corta.
Fuentes de energía para la sociedad
Las centrales eléctricas convierten una forma de energía en energía eléctrica. La mayoría hacen girar una turbina conectada a un generador.
| Fuente | ¿Renovable? | Ventajas y desventajas |
|---|---|---|
| Carbón, petróleo, gas natural | No | Confiables; liberan dióxido de carbono y contaminación |
| Nuclear (uranio) | No | No liberan dióxido de carbono mientras funcionan; desechos radiactivos |
| Solar, eólica | Sí | Limpias; dependen del tiempo atmosférico |
| Hidroeléctrica | Sí | Constante; las presas cambian los ríos |
| Geotérmica | Sí | Solo en ciertos lugares |
| Biomasa (madera, restos de cosechas) | Sí | Vuelve a crecer, pero quemarla contamina |
En el GED®, una fuente es renovable si la naturaleza la repone en el transcurso de una vida humana. Fíjate en que "renovable" y "sin contaminación" no son lo mismo: la biomasa es renovable pero libera humo, y la energía nuclear no es renovable pero no libera dióxido de carbono mientras funciona. Ten cuidado con las opciones de respuesta que confunden estas ideas.
Fórmulas que podrías ver
En el GED®, la fórmula que necesitas casi siempre aparece en la pregunta o en una hoja de referencia, así que tu trabajo es escoger los números correctos y sustituirlos.
Energía cinética: KE = \dfrac{1}{2}mv^2, donde m = masa en kg, v = rapidez en m/s, KE en julios (J).
Energía potencial gravitacional: PE = mgh, donde m = masa en kg, g = 9.8 m/s² en la Tierra, h = altura en m.
Calor: Q = mc\Delta T, donde Q = calor en julios, m = masa en g, c = calor específico (agua: 4.18 J/g·°C), \Delta T = cambio de temperatura (final − inicial).
Rapidez de una onda: v = f\lambda, donde v = rapidez en m/s, f = frecuencia en Hz, \lambda (lambda) = longitud de onda en m.
Eficiencia: \text{eficiencia} = \dfrac{\text{energía útil de salida}}{\text{energía total de entrada}} \times 100\%
Revisa primero las unidades: 1 MHz = 1,000,000 Hz.
Ejemplo resuelto 1: Nombra la transformación
Texto: Una patinadora está parada en el borde superior de una rampa en forma de U y luego se lanza. Aumenta su rapidez hasta llegar al fondo, después sube por el otro lado y se va frenando hasta detenerse justo debajo del borde opuesto.
Pregunta: ¿Qué enunciado describe mejor los cambios de energía desde el borde superior hasta el fondo de la rampa?
A. La energía cinética se convierte en energía potencial. B. La energía potencial se convierte en energía cinética. C. La energía térmica se convierte en energía potencial. D. Se crea energía a medida que aumenta su rapidez.
Pensando en voz alta:
- Arriba: alta y quieta (energía potencial). Abajo: baja y rápida (energía cinética). Entonces, potencial → cinética: B.
- A describe la subida por el otro lado. C está al revés. D va contra la ley de conservación de la energía, así que se puede descartar de inmediato.
Respuesta: B
Ejemplo resuelto 2: ¿Qué tipo de transferencia de calor?
Texto: Una campista hace tres cosas en un campamento: (1) acerca las manos a la fogata para calentarlas; (2) revuelve una sopa con una cuchara de metal y siente que el mango se calienta; (3) observa que el humo y el aire caliente suben por encima de la fogata.
Pregunta: ¿Qué lista relaciona cada observación con el tipo correcto de transferencia de calor?
A. (1) conducción, (2) radiación, (3) convección B. (1) radiación, (2) conducción, (3) convección C. (1) convección, (2) conducción, (3) radiación D. (1) radiación, (2) convección, (3) conducción
Pensando en voz alta:
- Sus manos no tocan el fuego, y el calor les llega incluso de lado. La energía que llega como ondas sin contacto = radiación.
- La energía pasa a lo largo de la cuchara de metal por contacto, de partícula a partícula = conducción.
- El aire caliente se vuelve menos denso y sube, llevando el calor hacia arriba = convección.
- Solo la opción B tiene las tres correctas. Consejo: empieza por la relación de la que estés más seguro (cuchara = conducción) para eliminar A y D de una vez.
Respuesta: B
Ejemplo resuelto 3: Un cálculo de energía potencial y cinética
Texto: Se sostiene una roca de 2.0 kg a 5.0 m sobre el suelo y luego se suelta. Ignora la resistencia del aire. Usa PE = mgh, donde g = 9.8 m/s².
Pregunta: ¿Cuánta energía cinética tiene la roca justo antes de tocar el suelo?
Pensando en voz alta:
- Te dan la fórmula, así que busca los números: m = 2.0 kg, h = 5.0 m, g = 9.8 m/s².
- Energía potencial arriba: PE = 2.0 \times 9.8 \times 5.0 = 98 J.
- La energía cinética arriba es 0 (la roca todavía no se mueve).
- Sin resistencia del aire, toda esa energía potencial se convierte en energía cinética cuando la roca llega al suelo (donde h = 0). La conservación de la energía nos dice que KE = 98 J.
- Trampa: algunos estudiantes intentan usar KE = \tfrac{1}{2}mv^2, pero no conocemos v. La conservación de la energía es el atajo.
Respuesta: 98 J
Ejemplo resuelto 4: Razonar con datos de ondas
Texto: Una clase buscó la rapidez del sonido en tres materiales a temperatura ambiente.
| Material | Estado | Rapidez del sonido (m/s) |
|---|---|---|
| Aire | gas | 343 |
| Agua | líquido | 1,480 |
| Acero | sólido | 5,960 |
Pregunta: ¿Qué conclusión está mejor apoyada por los datos?
A. El sonido viaja más rápido a través de los gases. B. El sonido viaja más rápido a través del agua que a través del aire. C. El sonido puede viajar a través del espacio vacío. D. El sonido viaja a la misma rapidez que la luz.
Pensando en voz alta:
- Lee la tabla: la rapidez aumenta del aire (343) al agua (1,480) y al acero (5,960).
- A es lo contrario de los datos: el gas es el más lento.
- B coincide directamente con la tabla: 1,480 es mayor que 343. Quédate con ella.
- C no se puede comprobar con esta tabla (no aparece el vacío), y la ciencia dice que es falsa: el sonido necesita un medio.
- D: la luz viaja a unos 300,000,000 m/s, muchísimo más rápido que cualquier número de la tabla.
Respuesta: B
Errores comunes
- "La energía se gasta." Incorrecto: la energía de una batería descargada desapareció. Correcto: se convirtió en energía eléctrica y luego en luz y calor.
- "El frío entra en las cosas." Incorrecto: el hielo le pasa frío a una bebida. Correcto: el calor fluye de la bebida hacia el hielo.
- Confundir KE y PE en un diagrama. Incorrecto: el punto más alto tiene la mayor energía cinética. Correcto: punto más alto = mayor energía potencial; punto más bajo = mayor energía cinética.
- Pensar que el sonido y la luz son el mismo tipo de onda. Incorrecto: el sonido puede viajar por el espacio. Correcto: el sonido necesita materia; la luz y otras ondas EM no.
- Invertir la longitud de onda y la energía. Incorrecto: las ondas más largas llevan más energía. Correcto: en las ondas EM, menor longitud de onda = mayor frecuencia = más energía (los rayos gamma tienen la mayor).
- Usar el cambio de temperatura equivocado. Incorrecto: en Q = mc\Delta T, usar la temperatura final como \Delta T. Correcto: \Delta T = final − inicial (usa el tamaño del cambio).
Estrategia para el examen GED®
- Lee primero la pregunta y después el texto.
- Sigue la cadena de energía (química → eléctrica → luz + calor) y luego compárala con las opciones.
- Revisa los ejes y las unidades de la gráfica antes de leer cualquier valor.
- Usa la conservación como filtro. Cualquier opción que diga que la energía se crea, se destruye o "se gasta" es incorrecta.
- Ten cuidado con las palabras absolutas como siempre, nunca y solo.
- En los cálculos, anota los números con sus unidades, sustitúyelos y pregúntate: "¿Es razonable mi respuesta?".
- Tiempo: trata de usar de 1 a 1.5 minutos por pregunta; marca los cálculos largos y regresa a ellos después.
Consejo de calculadora (TI-30XS)
Usa paréntesis para el cambio de temperatura en Q = mc\Delta T: 200 × 4.18 × ( 80 − 38 ) enter. Para 3.0 \times 10^8, escribe 3 × 10 ^ 8.
Compruébalo
Keeping Coffee Hot
A student wanted to know which kind of cup keeps a hot drink warm the longest. She poured 200 g of water at 80 °C into each of three cups: a foam cup, a ceramic mug and a thin steel mug. The cups had the same shape and no lids, and the room stayed at 22 °C. She recorded the water temperature in each cup every 4 minutes for 20 minutes.
Thermal energy always moves from a warmer object to a cooler one. In this setup, energy moved from the hot water, through the cup walls, into the cooler room air. Materials that let thermal energy pass through easily are called conductors; materials that slow it down are called insulators.
According to the graph, the water in which cup lost thermal energy the fastest?
Pista
All three cups start at the same temperature. Which line drops the most in the same amount of time?
Solución paso a paso
Evidence: The graph shows all three cups starting at 80 °C. After 20 minutes the foam cup is at 63 °C, the ceramic mug at 49 °C and the steel mug at 38 °C.
Step by step:
- Find the temperature drop for each cup over the same 20 minutes: foam 80 - 63 = 17 °C, ceramic 80 - 49 = 31 °C, steel 80 - 38 = 42 °C.
- All cups held the same 200 g of water, so the biggest temperature drop means the most thermal energy lost in the same time.
- The steel line is also the steepest on the graph from the very first reading (66 °C at 4 minutes).
The water in the steel mug lost thermal energy the fastest. Steel is a metal, a good conductor, so heat passed through its walls quickly.
Tip: On a temperature–time graph, a steeper line means a faster change. Compare lines over the same time interval.
Explicación
Evidencia: La gráfica muestra que los tres recipientes empiezan a 80 °C. Después de 20 minutos, el vaso de espuma está a 63 °C, la taza de cerámica a 49 °C y la taza de acero a 38 °C.
Paso a paso:
- Encuentra cuánto bajó la temperatura en cada recipiente durante los mismos 20 minutos: espuma 80 - 63 = 17 °C, cerámica 80 - 49 = 31 °C, acero 80 - 38 = 42 °C.
- Todos los recipientes tenían los mismos 200 g de agua, así que la mayor caída de temperatura significa la mayor pérdida de energía térmica en el mismo tiempo.
- La línea del acero también es la más inclinada de la gráfica desde la primera lectura (66 °C a los 4 minutos).
El agua de la taza de acero perdió energía térmica más rápido. El acero es un metal, un buen conductor, así que el calor pasó rápido a través de sus paredes.
Consejo: En una gráfica de temperatura contra tiempo, una línea más inclinada significa un cambio más rápido. Compara las líneas en el mismo intervalo de tiempo.
Ver en español
Texto: Cómo mantener caliente el café
Una estudiante quería saber qué tipo de vaso mantiene caliente una bebida por más tiempo. Echó 200 g de agua a 80 °C en cada uno de tres recipientes: un vaso de espuma, una taza de cerámica y una taza delgada de acero. Los recipientes tenían la misma forma y no tenían tapa, y el cuarto se mantuvo a 22 °C. Ella anotó la temperatura del agua en cada recipiente cada 4 minutos durante 20 minutos.
La energía térmica siempre pasa de un objeto más caliente a uno más frío. En este experimento, la energía pasó del agua caliente, a través de las paredes del recipiente, al aire más frío del cuarto. Los materiales que dejan pasar fácilmente la energía térmica se llaman conductores; los materiales que la frenan se llaman aislantes.
Pregunta
Según la gráfica, ¿en qué recipiente perdió el agua energía térmica más rápido?
Opciones
Pista
Los tres recipientes empiezan a la misma temperatura. ¿Qué línea baja más en la misma cantidad de tiempo?
Compruébalo
Energy on a Roller Coaster
A roller coaster has no engine after the first hill. A chain lifts the car to the top of hill A, and from then on gravity does the work. The diagram shows the track. The car has a mass of 500 kg and starts at rest at point A.
As the car rolls down, its gravitational potential energy (stored energy due to height) changes into kinetic energy (energy of motion). As it climbs the next hill, kinetic energy changes back into potential energy. The total amount of energy stays the same, but friction with the track and air resistance turn a small part of it into thermal energy and sound along the way. That is why each hill on a real coaster must be lower than the first one.
Look at the roller coaster diagram in the passage. Click the point where the car has the greatest kinetic energy.
Haz clic en la figura para marcar tu respuesta (o selecciónala y usa las flechas del teclado).
Pista
Kinetic energy is energy of motion. Where on the track would the car be moving fastest?
Solución paso a paso
Evidence: The passage says that as the car rolls down, "its gravitational potential energy (stored energy due to height) changes into kinetic energy." The diagram shows point B at 0 m, the lowest point on the track.
Step by step:
- The car starts at rest at A (40 m), so all its energy begins as potential energy.
- The lower the car goes, the more potential energy has changed into kinetic energy.
- Point B (0 m) is the lowest point, so almost all the energy is kinetic there and the car moves fastest.
- Point A has the most potential energy but zero kinetic energy (it starts at rest). Points C (25 m), E (15 m) and D (5 m) are all higher than B, so some energy is still stored as potential energy there.
The answer is point B.
Tip: On roller coaster and pendulum questions, lowest point = fastest = most kinetic energy; highest point = most potential energy.
Explicación
Evidencia: El texto dice que, a medida que el carro baja, "su energía potencial gravitacional (energía almacenada por la altura) se transforma en energía cinética". El diagrama muestra el punto B a 0 m, el punto más bajo de la vía.
Paso a paso:
- El carro empieza en reposo en A (40 m), así que al principio toda su energía es energía potencial.
- Cuanto más baja el carro, más energía potencial se ha transformado en energía cinética.
- El punto B (0 m) es el más bajo, así que ahí casi toda la energía es cinética y el carro va más rápido.
- El punto A tiene la mayor energía potencial, pero cero energía cinética (empieza en reposo). Los puntos C (25 m), E (15 m) y D (5 m) están todos más altos que B, así que ahí todavía hay algo de energía almacenada como energía potencial.
La respuesta es el punto B.
Consejo: En preguntas de montañas rusas y péndulos, el punto más bajo = el más rápido = la mayor energía cinética; el punto más alto = la mayor energía potencial.
Ver en español
Texto: La energía en una montaña rusa
Una montaña rusa no tiene motor después de la primera subida. Una cadena sube el carro hasta la cima de la colina A, y de ahí en adelante la gravedad hace el trabajo. El diagrama muestra la pista. El carro tiene una masa de 500 kg y empieza en reposo en el punto A.
Mientras el carro baja, su energía potencial gravitacional (energía almacenada por la altura) se convierte en energía cinética (energía del movimiento). Cuando sube la siguiente colina, la energía cinética vuelve a convertirse en energía potencial. La cantidad total de energía sigue siendo la misma, pero la fricción con la pista y la resistencia del aire convierten una pequeña parte en energía térmica y sonido durante el recorrido. Por eso, en una montaña rusa real, cada colina debe ser más baja que la primera.
Pregunta
Observa el diagrama de la montaña rusa en el texto. Haz clic en el punto donde el carro tiene la mayor energía cinética.
Pista
La energía cinética es la energía del movimiento. ¿En qué parte de la pista se movería el carro más rápido?
Resumen
- La energía nunca se crea ni se destruye; solo cambia de forma. Siempre una parte se convierte en energía térmica difícil de aprovechar, así que ninguna máquina tiene una eficiencia del 100%.
- La energía potencial (altura, química, elástica) y la energía cinética (movimiento) se intercambian; el punto más bajo de una caída o de una pista tiene la mayor energía cinética.
- El calor fluye de lo caliente a lo frío por conducción (contacto), convección (corrientes en fluidos) y radiación (ondas EM, sin necesidad de materia).
- Las ondas transportan energía, no materia. El sonido necesita un medio; las ondas EM no. De las ondas de radio a los rayos gamma, la longitud de onda disminuye mientras la frecuencia y la energía aumentan.
- Las fuentes renovables (solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica, biomasa) se reponen de forma natural; los combustibles fósiles y el uranio no.