Parte 03 · Clase 28 de 830

ARQ-028 · Energía, potencia y conservación

Parte 03 · Clase desarrollada · Incorporada en v0.3.0 · 21 de septiembre de 2026.

Material de estudio con casos originales. Revisión externa especializada pendiente. La numeración organiza conocimientos, no un calendario.

Pregunta central

¿Por qué un equipo de mayor potencia no necesariamente consume más energía durante el período que estamos comparando?

Qué aprenderás y qué entregarás

Distinguirás energía, potencia, rendimiento y transferencia. Construirás balances con fronteras explícitas, interpretarás kWh sin confundirlos con kW y comprobarás cómo cambia una conclusión al modificar la duración o el sistema estudiado. Entregarás un balance de un día ficticio y otro de una bomba de calor idealizada.

Esta clase proporciona física y criterios de lectura. No diseña instalaciones eléctricas, selecciona protecciones ni establece condiciones sanitarias de agua caliente.

1. Primero delimitar el sistema

Un balance necesita una frontera. Puede abarcar un equipo, una habitación o un edificio completo. Una transferencia que cruza esa frontera se registra como entrada o salida; una transformación dentro de ella no debe contarse otra vez como si fuera energía nueva.

Imagina un recinto con iluminación eléctrica. La energía eléctrica entra al recinto y puede transformarse en luz y calor. No tiene sentido sumarla como entrada eléctrica y, además, como una nueva entrada térmica atribuida a la misma transformación interna. Primero hay que decidir si se estudia la instalación, el equipo o el recinto que lo contiene.

La primera ley de la termodinámica expresa conservación energética y exige una convención de signos [PHY-FIRSTLAW]. Para los ejercicios escribiremos, de manera general, cambio de energía almacenada = entradas - salidas. Es una forma de contabilidad física: si aparece un excedente sin origen, probablemente falta una entrada, una salida o un cambio de almacenamiento.

2. Energía y potencia responden preguntas distintas

La energía describe una cantidad transferida o almacenada. La potencia es la rapidez de esa transferencia. Un watt equivale a un joule por segundo. La distinción entre potencia media e instantánea se desarrolla en la fuente de física citada [PHY-POWER].

Si la potencia es constante, E=P·t. Si cambia, debes sumar intervalos o integrar, como en ARQ-027. El kWh es una unidad de energía: 1 kWh=1.000 W×3.600 s=3,6 millones de J=3,6 MJ.

No escribas kW/h cuando quieras decir kWh. La primera expresión representa cambio de potencia por tiempo; la segunda, energía. Tampoco conviertas 2 kW en 2 kWh sin introducir una duración. Una potencia de 2 kW durante media hora produce 1 kWh; durante cinco horas, 10 kWh.

3. Caso trabajado: consumo de una jornada ficticia

Un centro de estudio tiene, para este ejercicio, tres grupos de cargas. La iluminación totaliza 0,30 kW y opera 6 h. Equipos de trabajo totalizan 0,50 kW durante 4 h. Un calentador toma 2,00 kW durante 1,5 h. Se supone potencia constante en cada intervalo y se ignoran consumos no indicados.

El calentador tiene una potencia mucho mayor, pero la comparación de consumo depende de cuánto opera. Un pequeño equipo funcionando permanentemente puede acumular más energía que otro intenso y breve. Este caso permite comprobarlo sin recurrir a precios o consumos de productos reales.

Si un dispositivo de 0,10 kW funcionara 24 h, consumiría 2,40 kWh. Superaría el consumo de los equipos de trabajo de 0,50 kW durante cuatro horas. La frase «más watts siempre significa más consumo» solo podría sostenerse manteniendo iguales duración y condiciones.

4. Energía total y potencia simultánea

Sumar los consumos de la jornada no permite obtener el máximo simultáneo. Si los tres grupos del caso funcionan al mismo tiempo, la potencia sumada sería 2,80 kW. Si el calentador opera cuando los otros grupos están apagados, el máximo de estos grupos podría ser 2,00 kW.

Ambas historias pueden tener la misma energía diaria de 6,80 kWh y máximos diferentes. Para estudiar potencia simultánea necesitas saber cuándo actúa cada carga, no solo por cuánto tiempo. Tampoco basta este cálculo para dimensionar una instalación: faltan condiciones eléctricas, arranques, circuitos, protecciones y requisitos específicos.

Usa la tabla como un modelo de energía. Si cambias su finalidad hacia diseño eléctrico, cambia también la información y el método requerido. Reutilizar una hoja de cálculo fuera de su alcance es una fuente de errores silenciosos.

5. Energía térmica almacenada y elevación de temperatura

Para una masa con calor específico aproximadamente constante, un cambio de temperatura puede modelarse mediante ΔE=m·c·ΔT. La hipótesis excluye cambios de fase y otras transferencias no contabilizadas.

Adoptemos para un ejercicio m=100 kg, c=4,18 kJ/(kg·K) y un aumento de 20 K. El valor de c se declara como dato didáctico redondeado, no como medición de un producto. Obtenemos ΔE=100×4,18×20=8.360 kJ=8,36 MJ≈2,322 kWh.

Si un sistema entregara al material exactamente 1 kW útil, sin pérdidas y con ese modelo válido, requeriría aproximadamente 2,322 h. Un equipo de 2 kW útiles reduciría el tiempo ideal a 1,161 h, pero no cambiaría la energía necesaria para el mismo aumento de temperatura.

No confundas potencia nominal de entrada con potencia útil recibida por el material. Tampoco interpretes el ejercicio como una temperatura recomendada de almacenamiento o uso. Es una cuenta de energía, no un protocolo de operación sanitaria.

6. Rendimiento: explicar qué cociente calculas

Si un dispositivo toma 3 kWh de entrada y entrega 2,4 kWh como resultado útil definido, el rendimiento de esa transformación es η=2,4/3=0,80, o 80 %. Los 0,6 kWh restantes no desaparecen: quedan en otras salidas o almacenamientos.

La palabra útil depende de la finalidad. Una emisión térmica puede ser deseada en un calentador y no deseada en un equipo electrónico. Por eso un rendimiento debe acompañarse de frontera, período y definición de salida útil.

Comparar porcentajes sin esas definiciones puede ser engañoso. Dos cifras de «eficiencia» pueden referirse a funciones o condiciones distintas. Antes de decidir cuál es mejor para un proyecto, comprueba qué se midió y qué quedó fuera.

7. Una bomba de calor no crea energía

Considera una bomba de calor ficticia que recibe 2 kWh eléctricos y extrae 5 kWh de un entorno exterior durante un intervalo. Si no hay cambio neto de almacenamiento ni otras salidas en el modelo, puede entregar 2+5=7 kWh al recinto.

El cociente de calefacción respecto de la electricidad es COP=7/2=3,5. No es un rendimiento de conversión eléctrica del 350 %. Es una relación entre calor entregado y trabajo eléctrico de entrada, mientras existe otra entrada térmica de 5 kWh.

La comprobación correcta es 7-5-2=0. Si alguien registrara solo 2 de entrada y 7 de salida, parecería que se creó energía; el error estaría en la frontera incompleta. La conservación se respeta al contabilizar el entorno del que se toma calor.

Este caso no representa el desempeño de un equipo comercial ni garantiza un COP constante. Las condiciones de operación y los límites del sistema deben especificarse antes de aplicar una cifra de desempeño. Aquí interesa el balance, no la selección de tecnología.

8. Balance térmico simplificado de un recinto

Supón un recinto ficticio con ganancias de 1,8 kW, pérdidas de 1,2 kW y capacidad térmica efectiva constante C=3,6 MJ/K. El balance instantáneo ideal es C·dT/dt=1,8-1,2=0,6 kW.

Durante una hora, si esas potencias permanecieran constantes, la energía neta sería 0,6 kWh o 2,16 MJ. El aumento ideal de temperatura sería 2,16/3,6=0,60 K. En un recinto real, las pérdidas pueden cambiar con temperatura, ventilación, clima y uso; no conviene extender linealmente esa predicción durante cualquier duración.

La capacidad efectiva tampoco es solo el aire si el modelo incluye paredes, mobiliario u otras masas que intercambian energía. Definir qué se agrupa en C forma parte del modelo. Un valor elegido sin fundamento puede producir una curva suave y equivocada.

ARQ-030 desarrollará una versión discretizada donde la pérdida sí depende de la diferencia térmica. Ese paso permite estudiar cómo el almacenamiento produce una respuesta transitoria y por qué una simulación necesita comprobaciones.

9. Comparaciones por superficie y límites de los indicadores

Dividir energía por superficie produce un indicador, por ejemplo kWh/m² durante un período definido. Si el centro del caso tuviera 100 m², su consumo del día ficticio sería 6,8/100=0,068 kWh/m². Sin indicar el día o período, el número pierde parte de su significado.

La comparación entre edificios también requiere coherencia en superficie, uso, ocupación, servicios incluidos y condiciones. No conviertas una diferencia de indicador en una explicación causal automática. Un edificio casi vacío puede gastar menos y prestar menos servicio.

Del mismo modo, electricidad consumida, energía útil y emisiones no son sinónimos. Pasar de energía a emisiones requiere factores y límites de cálculo que esta clase no introduce. Evitamos inventarlos para mantener el problema verificable.

Práctica independiente

Problema A. Un equipo toma 0,80 kW durante 2,5 h y otro 0,15 kW durante 16 h. Calcula los consumos, ordénalos y explica por qué el orden difiere del de potencias.

Problema B. Un sistema recibe 4 kWh eléctricos, toma 9 kWh del exterior y entrega 13 kWh al interior, sin almacenamiento. Comprueba el balance y calcula el COP del intervalo.

Problema C. Un volumen ideal con capacidad efectiva de 5 MJ/K recibe 2 kW y pierde 1,5 kW durante 2 h constantes. Calcula la variación térmica ideal. Identifica una razón por la que el modelo podría fallar al extenderse en el tiempo.

Autoevaluación y transferencia

Tu balance debe cerrar con signos, unidades y período. Debes explicar la diferencia entre consumo y demanda simultánea, y reconocer una entrada que no sea eléctrica. Un resultado acompañado solo por «esto es eficiente» no es suficiente: nombra la función útil, la frontera y la comparación realizada.

Decisión pedagógica y posición curricular

Por qué existe

Esta clase existe para resolver una necesidad concreta del recorrido: ¿Por qué un equipo de mayor potencia no necesariamente consume más energía durante el período que estamos comparando?

Por qué está exactamente aquí

Ocupa el lugar 8 de la Parte 03. Se estudia después de ARQ-027 · Derivadas e integrales como herramientas de interpretación porque usa esa base para responder «¿Por qué un equipo de mayor potencia no necesariamente consume más energía durante el período que estamos comparando?». Se ubica antes de ARQ-029 · Probabilidad, incertidumbre y error de medida porque la evidencia producida aquí debe estar disponible para ese paso.

• Prerrequisitos: ARQ-027
• Capacidad que introduce: Distinguirás energía, potencia, rendimiento y transferencia. Construirás balances con fronteras explícitas, interpretarás kWh sin confundirlos con kW y comprobarás cómo cambia una conclusión al modificar la duración o el sistema estudiado. Entregarás un balance de un día ficticio y otro de una bomba de calor idealizada.
• Clases o experiencias que dependen de ella: ARQ-124, ARQ-163, ARQ-169, ARQ-029

flowchart LR
    A["Prerrequisitos · ARQ-027"] --> B["ARQ-028 · necesidad y fundamento"]
    S["Fuentes · Organismo: OpenStax / Rice University. Consulta: 2026-09-21. + Organismo: OpenStax / Rice University. Consulta:…"] --> B
    B --> C["Actividad auténtica"]
    C --> D["Evidencia auditable"]
    D --> E["Continuidad · ARQ-124, ARQ-163, ARQ-169, ARQ-029"]

El diagrama permite comprobar una relación que el texto lineal oculta con facilidad: esta clase recibe capacidades previas, toma decisiones apoyadas por fuentes, exige una experiencia y produce evidencia que habilita trabajo posterior. No representa un procedimiento de obra.

Resultado observable, evidencia y evaluación

1. Identificar y delimitar las condiciones necesarias para responder la pregunta central de energía, potencia y conservación.
2. Producir y comprobar la evidencia declarada por la clase: Distinguirás energía, potencia, rendimiento y transferencia. Construirás balances con fronteras explícitas, interpretarás kWh sin confundirlos con kW y comprobarás cómo cambia una conclusión al modificar la duración o el sistema estudiado. Entregarás un balance de un día ficticio y otro de una bomba de calor idealizada.
3. Justificar una decisión de energía, potencia y conservación mediante fuentes, supuestos, alternativas y límites explícitos.

Actividad, evidencia y criterio de aceptación

Actividad: Problema A. Un equipo toma 0,80 kW durante 2,5 h y otro 0,15 kW durante 16 h. Calcula los consumos, ordénalos y explica por qué el orden difiere del de potencias.

Evidencia mínima: Distinguirás energía, potencia, rendimiento y transferencia. Construirás balances con fronteras explícitas, interpretarás kWh sin confundirlos con kW y comprobarás cómo cambia una conclusión al modificar la duración o el sistema estudiado. Entregarás un balance de un día ficticio y otro de una bomba de calor idealizada.

Archivo sugerido: evidence/ARQ-028/evidencia.md.

Criterio de aceptación: la entrega se acepta cuando:

• La entrega responde explícitamente a la pregunta: ¿Por qué un equipo de mayor potencia no necesariamente consume más energía durante el período que estamos comparando?
• La actividad conserva las fronteras del caso y permite reconstruir el procedimiento: Problema A. Un equipo toma 0,80 kW durante 2,5 h y otro 0,15 kW durante 16 h. Calcula los consumos, ordénalos y explica por qué el orden difiere del de potencias.
• Cada afirmación externa puede seguirse hasta una fuente, su alcance consultado y su límite.
• La evidencia deja disponible una entrada comprobable para ARQ-124.
• Tu balance debe cerrar con signos, unidades y período. Debes explicar la diferencia entre consumo y demanda simultánea, y reconocer una entrada que no sea eléctrica.

La rúbrica común complementa estos criterios; no los reemplaza. Una entrega puede superar un promedio y continuar pendiente si oculta una condición crítica.

Trazabilidad de las decisiones

La tabla permite auditar las relaciones; la explicación, el caso y la práctica de la clase siguen siendo la documentación principal.

Autoevaluación, recuperación y continuidad

Errores diagnósticos

Antes de avanzar, comprueba si puedes reconstruir cada resultado sin mirar la solución, señalar qué evidencia lo sostiene y nombrar una condición que obligaría a revisar tu decisión. Conserva la primera versión, la objeción recibida y la revisión.

Conexión siguiente: La continuidad inmediata es ARQ-029 · Probabilidad, incertidumbre y error de medida; conserva el método y vuelve a verificar datos y límites.

Fuentes y alcance de uso

Las referencias identifican apoyos conceptuales. Los escenarios, cifras y soluciones del capítulo son elaboraciones didácticas originales, no datos de una obra ni ejemplos copiados de estas fuentes.

[PHY-FIRSTLAW] University Physics Volume 2, 3.3: First Law of Thermodynamics

Organismo: OpenStax / Rice University. Consulta: 2026-09-21.

https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/3-3-first-law-of-thermodynamics

Alcance consultado: Sección web; balance energético.

Apoyo: Conservación de energía y necesidad de convenciones de signo.

Límites: El caso de bomba de calor es un balance original, sin selección de equipos.

[PHY-POWER] University Physics Volume 1, 7.4: Power

Organismo: OpenStax / Rice University. Consulta: 2026-09-21.

https://openstax.org/books/university-physics-volume-1/pages/7-4-power

Alcance consultado: Sección web; potencia.

Apoyo: Relación entre energía transferida y tiempo.

Límites: No contiene consumos reales de los equipos ficticios del programa.