Sistemas y entornos: tú decides dónde poner la lupa

Idea central

• Encierras con un círculo una parte del mundo para estudiarla: eso es el sistema.
• Todo lo que queda fuera es el entorno.
• Lo que cruza el borde decide si la energía entra, sale o se conserva.

Las 3 palabras clave

1. Sistema

• Es la parte del universo que tú eliges estudiar.
• No es algo fijo, es una decisión.

2. Entorno

• Es todo lo que no es el sistema.
• Puede empujar, tirar o dar energía al sistema.

3. Frontera

• Es el borde que separa sistema y entorno.
• Puede ser real, como las paredes de una botella, o imaginaria, como un círculo en el aire.
• Analogía de la casa en invierno: el aire caliente del cuarto es el sistema, paredes y ventana son la frontera, la calle fría es el entorno. Si abres la ventana, el calor se escapa. Cambiaste lo que cruza la frontera, no el aire.

Por qué es clave para trabajo y energía

• Trabajo: energía que cruza la frontera porque el entorno empuja o tira del sistema.
• Energía del sistema: lo que el sistema guarda dentro, como movimiento o como altura.
• Regla de oro:
  • Fuerza interna: actúa dentro del sistema. Solo transforma energía de un tipo a otro, no cambia el total.
  • Fuerza externa: viene del entorno. Hace trabajo y sí cambia el total del sistema.

La ecuación balance

• Balance general:

$$E_final - E_inicial = W_externo$$

• Si no hay trabajo externo:

$$W_externo = 0 → E_inicial = E_final$$

• Es la conservación de la energía.
• Si hay trabajo externo:

$$W_externo ≠ 0 → la energía aumenta o disminuye justo en esa cantidad$$

Tipos de sistema según lo que cruza la frontera

• Aislado:
  • No cruza materia ni energía como trabajo.
  • Ideal para usar conservación.
  • Ejemplo: libro más Tierra, si ignoramos el aire.
• Cerrado no aislado:
  • No cruza materia, pero sí energía como trabajo.
  • Ejemplo: solo el libro, la Tierra desde fuera le hace trabajo.
• Abierto:
  • Cruza materia y energía.
  • Es el más difícil de balancear.
  • Ejemplo: motor de auto, entra gasolina y aire, sale calor y movimiento.
• Truco de examen: elegir bien el sistema te facilita el problema. Agrandar el sistema suele convertir trabajo externo en energía interna y simplifica.

Ejemplo exprés: el poder de elegir

• Libro de 2 kg que se suelta desde 5 m, g = 10 m/s², sin aire.
• Caso A: sistema = libro más Tierra
  • La frontera los envuelve a ambos, la atracción queda dentro.
  • Nada empuja desde fuera → W_externo = 0 → aislado.
  • Conservación: m·g·h = (1/2)·m·v²
  • v = √(2·g·h) = √(100) = 10 m/s
• Caso B: sistema = solo el libro
  • La Tierra es entorno, la gravedad es externa.
  • Hace trabajo: W_externo = m·g·h
  • Balance: (1/2)·m·v² - 0 = m·g·h → mismo resultado: 10 m/s
• Lección: la física no cambió, solo tu punto de vista. En A la gravedad era interna y conservaba, en B era externa y hacía trabajo.

Resumen para recordar

• Sistema es lo que eliges, entorno es lo demás, frontera es el borde.
• Solo las fuerzas externas hacen trabajo: E_final - E_inicial = W_externo.
• Aislado → W_externo = 0 → E_inicial = E_final.
• Elige un sistema más grande para simplificar y evitar trabajo externo.