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Llamado así en nombre del físico inglés James Edward Joule, el joule (J) es una de las unidades angulares del Sistema métrico internacional. El joule se emplea como una unidad de trabajo, de energía y de calor, y se usa ampliamente en aplicaciones científicas. Si quieres dar una respuesta en joules, siempre asegúrate de utilizar las unidades científicas estándar. El “pie-libra” o la “unidad térmica británica” aún se usa en algunos campos, pero no tiene lugar en tu tarea de física.
Pasos
Método 1
Método 1 de 5:Calcular el trabajo en joules
Método 1
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1Entiende la definición de trabajo en física. Si empujas una caja por una habitación, has realizado una cantidad de trabajo. Si la levantas, has realizado una cantidad de trabajo. Existen dos cualidades importantes que deben existir para que se produzca el “trabajo”.[1] .
- Aplicas una fuerza constante.
- La fuerza hace que el objeto se mueva en la dirección de esta.
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2Define el trabajo. Es fácil calcular el trabajo. Simplemente multiplica la cantidad de fuerza utilizada con la cantidad de distancia recorrida. Por lo general, los científicos miden la fuerza en newtons y la distancia en metros. Si utilizas estas unidades, obtendrás el trabajo en joules.
- Cada vez que leas un problema relacionado con el trabajo, ponte a pensar en dónde se aplica la fuerza. Si levantas una caja, significa que empujas hacia arriba dando lugar a que este objeto se eleve (por lo tanto, la distancia es la altura a la que la caja se eleva). No obstante, si caminas hacia adelante sosteniendo la caja, no se produce ningún trabajo. Si sigues empujando la caja hacia arriba para evitar que se caiga, esta no gana elevación.[2]
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3Encuentra la masa del objeto que se mueve. Es necesario calcular la masa de un objeto a fin de calcular la fuerza necesaria para moverlo. En nuestro ejemplo, utilizaremos a una persona que levanta un peso desde el suelo hasta su pecho y calcularemos la cantidad de trabajo que ejerce en dicho peso. Supongamos que el peso tiene una masa de 10 kilogramos (kg).
- Evita utilizar libras u otras unidades no estándar, o tu respuesta final no estará en términos de joules.
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4Calcula la fuerza. Fuerza = masa x aceleración. En nuestro ejemplo, al levantar un peso directamente hacia arriba, la aceleración a la que nos enfrentamos se debe a la gravedad, la cual equivale a 9,8 metros/segundo2. Calcula la fuerza necesaria para mover el peso hacia arriba al multiplicar (10 kg) x (9,8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 newtons (N).
- Si el objeto se mueve de forma horizontal, la gravedad es irrelevante. El problema podría pedirte que calcules la fuerza requerida para superar la fricción. Si el problema te dice a qué velocidad acelera del objeto cuando se empuja, podrás multiplicar la aceleración dada con la masa.
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5Mide la distancia movida. Para este ejemplo, supongamos que el peso se levanta 1,5 metros (m). La distancia debe medirse en metros o tu respuesta final no se escribirá en joules.
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6Multiplica la fuerza por la distancia. Para levantar un peso de 98 Newton 1,5 metros hacia arriba, deberás ejercer 98 x 1,5 = 147 joules de trabajo.
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7Calcula el trabajo para los objetos que se mueven en un ángulo. Nuestro ejemplo anterior era sencillo: alguien ejercía una fuerza hacia arriba sobre el objeto y este se movió en dicha dirección. En ocasiones, la dirección de la fuerza y el movimiento del objeto no son exactamente lo mismo, debido a múltiples fuerzas que actúan sobre el objeto. En el siguiente ejemplo, calcularemos la cantidad de joules necesarias para que un niño arrastre un trineo 25 metros a través de la nieve jalándolo de una cuerda orientada en un ángulo de 30º. Para este escenario, trabajo = fuerza x coseno (θ) x distancia. El símbolo θ es la letra griega “theta” y describe el ángulo entre la dirección de la fuerza y la del movimiento.[3]
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8Halla la fuerza total aplicada. Para este problema, supongamos que el niño jala de la cuerda ejerciendo una fuerza de 10 newtons.
- Si el problema te da la “fuerza hacia la derecha”, “fuerza hacia arriba” o “fuerza en la dirección del movimiento”, ya se ha calculado la parte del problema “fuerza x cos (θ)” y puedes pasar a multiplicar los valores.
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9Calcula la fuerza relevante. Solo parte de la fuerza jala el trineo hacia adelante. Dado que la cuerda se encuentra en un ángulo hacia arriba, el resto de la fuerza trata de tirar el trineo hacia arriba, jalando inútilmente en contra de la gravedad. Calcula la fuerza que se aplica en la dirección del movimiento:
- En nuestro ejemplo, el ángulo θ entre la nieve y la soga es de 30º.
- Calcula el cos(θ). cos(30º) = (√3)/2 = alrededor de 0,866. Puedes utilizar una calculadora para hallar este valor, pero asegúrate de que tu calculadora esté configurada a la misma unidad que la medición del ángulo (grados o radianes).
- Multiplica la fuerza total x cos(θ). En nuestro ejemplo, 10N x 0,866 = 8,66 N de fuerza en la dirección del movimiento.
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10Multiplica la fuerza x la distancia. Ahora que sabemos la cantidad de fuerza que va hacia la dirección del movimiento, podremos calcular el trabajo como de costumbre. Nuestro problema nos indica que el trineo se movió 20 metros hacia adelante, así que calculamos 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de trabajo.
Método 2
Método 2 de 5:Calcular los joules a partir de vatios
Método 2
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1Infórmate sobre la potencia y la energía. Los vatios son una medida de potencia o de lo rápido que se utiliza la energía (energía a lo largo del tiempo). El joule es una medida de energía. Si quieres realizar una conversión de vatios a joules, necesitarás especificar un lapso de tiempo. Mientras mayor sea el flujo de una corriente, mayor energía se utilizará.
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2Multiplica los vatios por segundos para hallar os joules. Un dispositivo de 1 wats consume un joule de energía por segundo. Si multiplicas la cantidad de vatios por el número de segundos, obtendrás joules. Para determinar la cantidad de energía que una bombilla de 60 vatios consume en 120 segundos, simplemente multiplica (60 vatios) x (120 segundos) = 7200 joules.[4]
- Esta fórmula funciona para cualquier clase de potencia medida en vatios, pero la electricidad es la aplicación más común.
Método 3
Método 3 de 5:Calcular la energía cinética en joules
Método 3
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1Entiende la fuerza cinética. La energía cinética es la cantidad de energía en la forma de movimiento. Al igual que con cualquier unidad de energía, puede expresarse en unidades joules.
- La energía cinética es equivalente a la cantidad de trabajo realizado para acelerar un objeto estático a una cierta rapidez. Una vez que hayas alcanzado esa rapidez, el objeto conservará esa cantidad de energía cinética hasta que dicha energía se transforma en calor (debido a la fricción), energía potencial gravitacional (debido al movimiento contra la gravedad) u otros tipos de energía.
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2Halla la masa del objeto. Por ejemplo, podemos medir la energía cinética de una bicicleta y un ciclista. Supongamos que el ciclista tiene una masa de 50 kg y la bicicleta una de 20 kg, para obtener una masa total m de 70 kg. Ahora podemos tratarlas como un solo objeto de 70 kg, dado que se desplazan juntos a la misma rapidez.
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3Calcula la rapidez. Si ya sabes la velocidad del ciclista, solo anótala y continúa. Si necesitas calcularla por tu cuenta, utiliza uno de estos métodos a continuación. Ten en cuenta que nos enfocaremos en la rapidez, no en la velocidad (la cual es la rapidez en una dirección determinada), a pesar de que se usa con frecuencia la abreviatura v. Ignora las vueltas que el ciclista haga y finge que toda la distancia recorrida es una línea recta.
- Si el ciclista se moviese a un ritmo constante (sin acelerar), mide la distancia que el ciclista recorrió en metros y divídela por la cantidad de segundos que tomó moverse esa distancia. Esto te dará la rapidez promedio, la cual en este escenario es la misma que la rapidez en cualquier momento dado.
- Si el ciclista acelera de manera constante y no cambia de dirección, calcula su rapidez en el tiempo t con la fórmula “rapidez en el tiempo” t = (aceleración)(t) + velocidad inicial. Utiliza los segundos para medir el tiempo, metros/segundo para medir la rapidez y m/s2 para medir la aceleración.
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4Ingresa estos números en la siguiente fórmula. Energía cinética = (1/2)m'v2. Por ejemplo, si el ciclista viaja a 15 m/s, su energía cinética K = (1/2)(70 kg)(15 m/s)2 = (1/2)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7875 kgm2/s2 = 7875 newton metros = 7875 joules.
- La fórmula de energía cinética puede derivarse a partir de la definición de trabajo, W = FΔs y la ecuación cinética v2 = v02 + 2aΔs.[5] Δs hace referencia al “cambio en posición” o la cantidad de distancia recorrida.
Método 4
Método 4 de 5:Calcular el calor en joules
Método 4
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1Halla la masa del objeto que vas a calentar. Para esto, utiliza una balanza o báscula de resorte. Si el objeto es un líquido, primero pesa el recipiente vacío en el que colocarás el líquido y halla su masa. Deberás restarlo de la masa del recipiente y el líquido para hallar la masa de este último. Para este ejemplo, asumiremos que el objeto representa 500 gramos de agua.
- Utiliza los gramos, ninguna otra unidad, o el resultado no estará en joules.
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2Halla la capacidad de calor específica para este objeto. Puedes encontrar esta información en una referencia química, ya sea en libros o en Internet. Para el agua, la capacidad e calor específica c es de 4,19 joules por gramo para cada grado Celsius de calor o 4,1855, si necesitas ser muy preciso.[6]
- La capacidad de calor específica varía ligeramente en base a la temperatura y la presión. Las diferentes organizaciones y libros de texto emplean “temperaturas estándar” distintas, así que podrías ver la capacidad de calor específica del agua mostrada como 4,179.
- Puedes utilizar grados Kelvin en lugar de Celsius, ya que una diferencia en la temperatura es la misma en ambas unidades (calentar algo en 3 °C es lo mismo que calentar en 3 grados Kelvin). NO utilices grados Fahrenheit o el resultado no estará en joules.
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3Halla la temperatura actual del objeto. Si el objeto es un líquido, puedes utilizar un termómetro de bulbo. Para algunos objetos, es posible que necesites un termómetro con sonda.
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4Calienta el objeto y mide nuevamente la temperatura. Esto te permitirá medir la cantidad de calor que añadirás al objeto durante el calentamiento.
- Si quieres medir la cantidad total de energía almacenada como calor, puedes simular que la temperatura inicial era el cero absoluto: 0 grados Kelvin o -273,15 °C. Por lo general, esto no es útil.
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5Resta la temperatura original de la temperatura calentada. Esto producirá el cambio de grados de temperatura en el objeto. Asumiendo que el agua generalmente tenía unos 15 grados Celsius y se calentó a unos 35 °C, el cambio de temperatura sería de 20 °C.
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6Multiplica la masa del objeto por su capacidad de calor específica y por la cantidad del cambio de temperatura. Esta fórmula se escribe como H = mcΔT, donde ΔT significa “cambio en la temperatura”. Para este ejemplo, esto sería 500 g x 4,19 x 20 o 41 900 joules.
- En el sistema métrico, el calor se expresa con mayor frecuencia en términos de calorías o kilocalorías. Una caloría se define como la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 °C, mientras que una kilocaloría (o caloría) es la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de 1 kg de agua en 1 °C. En el ejemplo anterior, elevar 500 g de agua en 20 °C gastaría 10 000 calorías o 10 kilocalorías.
Método 5
Método 5 de 5:Calcular joules como energía eléctrica
Método 5
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1Utiliza los pasos a continuación para calcular el flujo de energía en un circuito eléctrico. Los pasos a continuación se escriben como un ejemplo práctico, pero también puedes utilizar el método para entender los problemas de física escritos. En primer lugar, calcularemos la potencia P empleando la fórmula P = I2 x R, donde I es la corriente en amperios y R es la resistencia en ohmios.[7] Estas unidades nos dan la potencia en vatios, así que a partir de ahí podemos utilizar la fórmula en el paso anterior para calcular la energía en joules.
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2Escoge un resistor. Los resistores se clasifican en ohmios, con la clasificación etiquetada directamente o indicada con una serie de bandas de colores. También puedes probar la resistencia del resistor al conectarlo a un ohmímetro o multímetro. Para este ejemplo, asumiremos que el resistor tiene una potencia de 10 ohmios.
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3Conecta el resistor a la fuente de corriente. Conecta los cables al resistor con clips Fahnestock o pinzas de cocodrilo, o conecta el resistor a una placa de pruebas.
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4Pasa la corriente a través del circuito por un periodo de tiempo establecido. Para este ejemplo, lo haremos durante un periodo de 10 segundos.
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5Mide la fuerza de la corriente. Hazlo con un amperímetro o un multímetro. Gran parte de la corriente doméstica se encuentra en miliamperios o en milésimas de un amperio, así que asumiremos que la corriente es de 100 miliamperios o de 0,1 amperio.
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6Utiliza la fórmula P = I2 x R. Para hallar la potencia, multiplica el cuadrado de la corriente por la resistencia. Esto genera la salida de potencia en vatios. Elevar 0,1 al cuadrado da 0,01 y multiplicado por 10 da un consumo de potencia de 0,1 vatio o 100 milivatios.
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7Multiplica la potencia por la cantidad de tiempo que ha pasado. Esto da como resultado el consumo de energía en joules. 0,1 vatios x 10 segundos es igual a 1 joule de energía eléctrica.
- Como los joules son unidades pequeñas y debido a que los aparatos normalmente emplean vatios, milivatios y kilovatios para indicar la cantidad de potencia que utilizan, las empresas que normalmente miden su consumo de energía en kilovatio-hora. Un vatio es igual a 1 joule por segundo o 1 joule es igual a 1 vatio-segundo. Un kilovatio es igual a 1 kilojoule por segundo y 1 kilojoule es igual a 1 kilovatio-segundo. Dado que hay 3600 segundos en una hora, 1 kilovatio-hora es igual a 3600 kilovatio-segundos, 3600 kilojoules o 3 600 000 joules.
Consejos
- Relacionada al joule, el ergio es otra unidad del sistema métrico que indica el trabajo y la energía. 1 ergio es igual a 1 dina de fuerza por una distancia de 1 cm. 1 joule es igual a 10 000 000 ergios.
Advertencias
- Si bien los términos “joule” y “Newton metro” describen a la misma unidad, en la práctica, “joule” se utiliza cuando se representa cualquier forma de energía y trabajo desarrollado en una línea recta, como en el ejemplo anterior en el que se sube corriendo un tramo de escaleras. Cuando se emplea para medir un torque, la aplicación de la fuerza en la rotación de un objeto, es preferible utilizar el término “Newton metro”.
Cosas que necesitarás
Trabajo o energía cinética:
- cronómetro o temporizador
- báscula o balanza
- calculadora con la función de coseno (solo para calcular el trabajo, aunque no siempre es necesario)
Calcular la energía eléctrica:
- resistor
- cables o placa de prueba
- multímetro (o un ohmímetro y amperímetro por separado)
- clips Fahnestock o pinzas de cocodrilo
Calor:
- un objeto para calentar
- una fuente de calor (como un mechero bunsen)
- termómetro (ya sea uno de bombilla o de sonda)
- libro de referencia en química (para hallar la capacidad de calor específica del objeto a calentar)
Referencias
- ↑ http://education-portal.com/academy/lesson/work-definition-characteristics-and-examples.html
- ↑ http://www.physicsclassroom.com/Class/energy/u5l1a.cfm#waiter
- ↑ http://www.physicsclassroom.com/Class/energy/u5l1a.cfm
- ↑ http://electronicsclub.info/power.htm
- ↑ http://physics.info/energy-kinetic/
- ↑ http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html
- ↑ http://electronicsclub.info/power.htm
- http://www.mhi-inc.com/Converter/watt_calculator.htm
- http://electronicsclub.info/power.htm
