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¿Qué es la energía cinética?

La energía cinética o energía de movimiento es una forma de energía que tiene un cuerpo en movimiento debido a la inercia de masa. En marcos de referencia no relativistas, la energía cinética es directamente proporcional a la masa y el cuadrado de la velocidad. Es lo mismo que el trabajo que se necesita hacer para que el cuerpo pase del estado de reposo a la condición en que se encuentra.

¿Qué es la energía cinética?

En la mecánica clásica hacemos las siguientes consideraciones:

  • Un cuerpo con masa m que se mueve a una velocidad v tiene una energía cinética Ec= (m·v2)/2.
  • Si el cuerpo también sufre una rotación alrededor del centro de masa, tendrá una energía cinética como resultado de esta rotación. Ec= (I·w2)/2. En la ecuación anterior I es la inercia del cuerpo y w es la velocidad angular.
  • Con un movimiento general, el teorema de König es aplicable, y la energía cinética total es la suma de las energías cinéticas de ambos movimientos.

Conversión de energía

La energía cinética total de un sistema puede, por ejemplo, cambiar al convertirse a energía potencial o a partir de ella, al convertir energía química en un motor de combustión interna, incluido un motor de cohete y al disparar un proyectil, y al calor o energía térmica, en caso de fricción o colisión.

La velocidad, y por lo tanto también la energía cinética, depende del sistema inercial elegido. La energía cinética total de un sistema es menor cuando el centro de masa de ese sistema está en reposo. En otros casos, se agrega la energía cinética que corresponde al movimiento de la masa total a la velocidad del centro de masa.

La velocidad del centro de masa de un sistema cerrado permanece constante debido a la ley de conservación del momento. Los cambios en la energía cinética total del sistema como en los ejemplos anteriores por lo tanto dependen no en el marco de inercia, pero los cambios en las partes del sistema hacen.

Por ejemplo, si dos cuerpos se atraen entre sí y su separación se hace más pequeña, la energía potencial se convierte en energía cinética. Dependiendo del sistema inercial, este aumento de energía cinética aumenta de diferente manera a cada uno de los dos cuerpos. Incluso, la energía cinética de un cuerpo puede disminuir, aumentando la energía del otro.

De manera similar, si un cohete convierte la energía química en energía cinética, entonces depende de la velocidad del cohete (y por lo tanto del sistema inercial) en qué medida este aumento en la energía cinética total beneficia al cohete y en qué medida la masa de reacción y la energía cinética del cohete puede incluso disminuir, aumentando la masa de reacción, o viceversa.

Con un dado, en el caso de una colisión central completamente elástica, la energía cinética transmitida depende del sistema inercial de la siguiente manera: esta energía es proporcional a la velocidad del centro de masa de los objetos en colisión.

Energía de traslación cinética

La energía de traslación cinética total de dos cuerpos en relación con el centro de masa puede calcularse sobre la base de la masa reducida y la velocidad mutua, consulte el problema de dos cuerpos. La distribución de esta energía entre los dos cuerpos es inversamente proporcional a la masa.

Por ejemplo, con el sistema de un automóvil en movimiento y el resto de la Tierra, la energía cinética del resto de la Tierra apenas cambia con los cambios de velocidad del automóvil, aunque el impulso siempre cambia en la misma medida que el automóvil.

En el caso de un problema de tres cuerpos con el Sol, la Tierra y una cápsula espacial, la energía cinética del Sol en relación con el centro de masa de la totalidad de los tres cuerpos también es insignificante. Los cambios en la energía cinética de la Tierra a través de la interacción con la cápsula ahora no son despreciables en relación con la energía cinética de la cápsula, ver también la tasa de escape.

La energía cinética en las moléculas

La energía de traslación cinética total de las moléculas locales es la suma de, por una parte, la energía cinética correspondiente al movimiento de la masa total de estas moléculas a la velocidad de su centro de masa (es decir, el movimiento macroscópico) y, por otra parte, la energía de traslación cinética relativa a el centro de masa. Este último está relacionado con la temperatura en la ubicación correspondiente.

Con un gas ideal, la energía de traslación cinética relativa al centro de masa es un total de 3/2 veces la presión multiplicada por el volumen y proporcional a la temperatura, a saber, 12,47 J por mol por Kelvin. Este último es 3/2 veces la constante de gas, y en las moléculas de un solo átomo es igual al calor específico en volumen constante.

Con las moléculas de varios átomos, hay otra energía que aumenta con la temperatura, a saber, la de la rotación y la vibración de las moléculas, por lo que el calor específico es mayor.

A la misma temperatura (y en particular también en una mezcla de gases), las moléculas pesadas tienen en promedio la misma energía de traducción cinética que la luz (teoría de la equipartición); Por lo tanto, tienen una velocidad más baja.

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Fecha publicación: 8 de mayo de 2019
Última revisión: 8 de mayo de 2019