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• Jairo Alvarado

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PRINCIPIO DE ENERGIA. Introducción Hoy en día el mundo está lleno de energía, cada ser humano que nos rodea está lleno de energía, un automóvil tiene energía, y hasta algunos elementos de la naturaleza están llenos de energía. La energía en estos objetos puede presentarse de diferentes formas, por ejemplo una pelota que se mueve está impulsada por una energía cinética, o un río de gran caudal puede producir grandes cantidades de energía hidroeléctrica. Por esto es importante conservar los recursos naturales ya que algunas son energías no renovables. El ser humano se ve en la necesidad de canalizar y controlar estas energías para su debido uso y no malgastarlas por esto, se crean centrales hidroeléctricas, plantas de refinación y otros lugares donde se almacena y se trata la energía en sus distintas formas. La energía es una magnitud física que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para producir trabajo mecánico, emitir luz, generar calor, etc. En todas estas manifestaciones hay un sustrato común, al que llamamos energía, que es propio de cada cuerpo (o sistema material) según su estado físico-químico, y cuyo contenido varía cuando este estado se modifica.

Manifestaciones de la energía: La energía es, por lo tanto, una magnitud física que puede manifestarse de distintas formas: potencial, cinética, química, eléctrica, magnética, nuclear, radiante, etc., existiendo la posibilidad de que se transformen entre sí pero respetando siempre el principio. En este caso hablaremos de la energía eléctrica.

Energia eléctrica: Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos —cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor eléctrico—para obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica. Le electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se

manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos.

Transformación y conservación de la energia: La energía se puede presentar en formas diferentes, es decir, puede estar asociada a cambios materiales de diferente naturaleza. Así, se habla de energía química cuando la transformación afecta a la composición de las sustancias, de energía térmica cuando la transformación está asociada a fenómenos caloríficos, de energía nuclear cuando los cambios afectan a la composición de los núcleos atómicos, de energía luminosa cuando se trata de procesos en los que interviene la luz, etc. Los cambios que sufren los sistemas materiales llevan asociados, precisamente, transformaciones de una forma de energía en otra. Pero en todas ellas la energía se conserva, es decir, ni se crea ni se destruye en el proceso de transformación. Esta segunda característica de la energía constituye un principio físico muy general fundado en los resultados de la observación y la experimentación científica, que se conoce como principio de conservación de la energía. Otro modo de interpretarlo es el siguiente: si un sistema físico está aislado de modo que no cede energía ni la toma del exterior, la suma de todas las cantidades correspondientes a sus distintas formas de energía permanece constante. Dentro del sistema pueden darse procesos de transformación, pero siempre la energía ganada por una parte del sistema será cedida por otra. Esto es lo que sucede en el universo, que en su conjunto puede ser considerado como un sistema aislado. Una descripción matemática de este principio puede efectuarse como sigue: sea S un sistema aislado, el cual tras un proceso de transformación interna pasa a convertirse en S'. Representando por E la energía total del sistema o suma de las cantidades correspondientes a

las diferentes formas de energía presentes en él, la conservación de la energía se expresaría en la forma: E' = E o también:

Es decir, la variación DE de la energía total E del sistema por efecto de su transformación interna ha sido nula. Si se considera que el sistema está formado sólo por dos partes o subsistemas 1 y 2, la aplicación del principio de conservación de la energía supondrá ahora: E'1 + E'2 = E1 + E2 O agrupando términos semejantes: E'1 - E1 = - (E'2 - E2)

Transformación de energía: Acto de transmitir energía a un cuerpo. Ejemplos: · En forma de calor: se puede transferir energía a un cuerpo suministrándole calor. Cuando una sustancia sufre algún cambio de temperatura (calor/frío), experimenta un cambio físico que hace variar su aspecto. · En forma de trabajo: se puede transferir energía a un cuerpo ejerciendo sobre él algún tipo de trabajo.

Conclusión Luego de estudiar a Einstein que fue la primera persona en tratar de experimentar con la energía, podemos concluir que la energía ha sido un descubrimiento que marca la vida del ser humano de una manera trascendental ya que apartir del momento en que se descubrió la

electricidad fueron apareciendo inventos como la bombilla y el teléfono con los que el ser humano se facilito la vida.

CURVAS DE ENERGIA ESPECÍFICA Se presentan las relaciones analíticas y, especialmente, la gráfica de la profundidad y la energía específica por una parte y, por otra, la gráfica de profundidad contra pendiente de fricción. En cada caso se muestran las ramas de flujo subcrítico y supercrítico en la primera y, en la segunda, de flujo subnormal y supernormal, después se relacionan entre sí y se pasa a mostrar la ubicación de los diferentes perfiles de flujo gradualmente variado en cada gráfica. El propósito que se busca es facilitar la comprensión de estas relaciones entre quienes se inician en el estudio de la hidráulica. ENERGÍA ESPECÍFICA EN CANALES La expresión para la energía en una sección respecto a un nivel de referencia que pasa por el fondo del canal se conoce como energía específica (Bakhmeteff, 1912, citado por Chow, 1959) y se escribe así:

La curva y-E se muestra en la figura 1, donde también aparecen destacadas la profundidad crítica asociada con la energía mínima y las ramas que representan los flujos subcrítico (SbC) y supercrítico (SpC) a partir del punto C sobre la curva. En esta gráfica no interviene la pendiente del fondo del canal. PENDIENTE DE FRICCIÓN EN CANALES La expresión para la pendiente de fricción en canales se obtiene con la ecuación de Manning (ec. 2a) (Chow, 1959) o con la ecuación de DarcyWeisbach (ec. 2b) (French, 1985). El factor de fricción de Darcy se calcula con la ecuación de Colebrook-White (ec. 3), cuando el flujo es turbulento (Dyhouse et al., 2003), o con la ecuación de Poiseuille (ec. 4) cuando es eliminar. El número de Reynolds se calcula con la ecuación 5. La ecuación dos se puede trasformar (Mejía, 2008) para calcular la

profundidad de la pendiente del fondo del canal (ec. 6) y obtener la profundidad normal.

La figura 2 muestra la variación de la pendiente de fricción con la profundidad. Allí se destaca la profundidad normal asociada con la pendiente del fondo del canal y las ramas que representan el flujo subnormal (SbN) y el supernormal (SpN). El punto N sobre la curva indica dónde empiezan las ramas. RELACIÓN ENTRE LA CURVA DE ENERGÍA ESPECÍFICA Y LA CURVA DE PENDIENTE DE FRICCIÓN Cuando la profundidad crítica se usa para calcular la pendiente de fricción (ec. 2), se obtiene la pendiente crítica del canal, que siempre es positiva (Sc>0). Gráficamente esta relación se ilustra en la figura 3,

donde se han acoplado las dos gráficas de interés para poner de manifiesto tal relación. RELACIÓN ENTRE LA CURVA DE PENDIENTE DE FRICCIÓN Y LA CURVA DE ENERGÍA ESPECÍFICA Con la ecuación 6 se puede obtener la profundidad normal a partir de la pendiente del fondo del canal en aquellos canales con pendiente de fondo positiva (So>0). Esta profundidad puede resultar mayor o menor que la profundidad crítica. En el primer caso se obtiene un flujo normal subcrítico, y en el segundo se está ante un flujo normal supercrítico. Gráficamente esta relación se ilustra con la figura 4, donde se han acoplado las dos gráficas de interés para poner de manifiesto tal relación. LAS ZONAS DE FLUJO EN LA SECCIÓN DE UN CANAL Las profundidades normal y crítica dividen la curva de pendiente de fricción en tres segmentos. La curva de energía específica se divide también en tres segmentos con esas dos profundidades. En cualquiera de las dos curvas, el segmento que representa las profundidades de flujo mayores que las dos profundidades de referencia corresponde a la zona 1 de flujo en la sección. El segmento que representa las profundidades comprendidas entre las dos profundidades de interés corresponde a la zona 2 de flujo. Por último, el segmento que representa las profundidades de flujo inferiores a las dos profundidades tratadas corresponde a la zona 3 de flujo. La figura 5 representa gráficamente estas zonas de flujo en la curva de pendiente de fricción y la figura 6 representa las zonas de flujo en la curva de energía específica. LA CURVA DE PENDIENTE DE FRICCIÓN Y LA CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES SEGÚN LA PENDIENTE Desde el punto de vista de la pendiente, los canales se clasifican como canales de pendiente adversa (A, So0). En los canales tipo A y H se considera que la profundidad normal, que se calcula con la ecuación 6, es un valor infinito o tiende a él. Así que en estos canales no existe la zona 1 de flujo. Los canales de pendiente sostenida, a su vez, se clasifican como canales de pendiente moderada (M, 0