A. Análisis Elemental de Procesos

1A. Anlisis elemental de procesos

Conceptos sobre la materia y la energa

Todo lo que nos rodea, incluidos nosotros mismos, est formado por un componente comn: la materia.Normalmente, para referinos a los objetos usamos trminos como materia, masa, peso, volumen. Para clarificarlos conceptos, digamos que:

Materia es todo lo que tiiene masa y ocupa un lugar en el espacio;

Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo;

Volumen es el espacio ocupado por la masa

Cuerpo es una porcin limitada de materia

Estados fsicos de la materiaEn trminos conceptuales, materia se puede definir como cualquier sustancia que posee masa y ocupa un lugaren el espacio (volumen); la cual como cualquier otro componente de la naturaleza reacciona a factoresambientales como la presin y la temperatura, manifestndose en tres estados:

Gaseoso.Lquido.Slido.Estos estados obedecen fundamentalmente a la energa cintica o energa de movimiento de las molculas queconforman dicha materia y a la forma de agregacin de las mismas.

Los estados de lamateria dependen deFactores delambiente comopresin ytemperatura.

Estados de la materia en relacin a cambios de la temperatura del ambiente

Los diferentes estados de la materia secaracterizan por la energa cintica de lasmolculas y los espacios existentes entreestas.

Estados de la materia en relacin a cambios de la energa cintica de las molculas

Cada uno de los estados le confiere a la materia caractersticas propias, a pesar de no cambiar su composicin.

La figura siguiente complementa los conceptos aqu formulados, obsrvelo haciendo nfasis en las relaciones ydiferentes vas existentes:


Los estados de la materia: efecto de las condiciones del medio

Aunque la materia en sus diferentes estados, no vara en su composicin, puede variar en sus caractersticas

Principales Caractersticas de los estados de la materia

SLIDOS LQUIDOS GASES

Poseen forma definida.No poseen forma definida, porlo tanto adoptan la forma delrecipiente que los contiene.

No poseen forma definida, porlo tanto adoptan la forma delrecipiente que los contiene.

Poseen volumen fijo. Poseen volumen fijo. Poseen volumen variable.

Baja compresibilidad. Compresin limitada. Alta Compresibilidad.

Cambios fsicos y cambios qumicosLas modificaciones en la presin, la temperatura o las interrelaciones de las sustancias, pueden originarcambios fsicos o qumicos en la materia.

Cambios fsicos de la materia:

Son aquellos cambios que no generan la creacin de nuevas sustancias, lo que significa que no existen cambiosen la composicin de la materia, como se ve en la figura siguiente.


El cambio fsico se caracteriza por la noexistencia de reacciones qumicas y de

cambios en la composicin de la materia.

Cambio fsico de la materia: cambio de estado slido (hielo) a estado lquido delagua, mediante el aumento en la temperatura del sistema.

Cambios qumicos:

Son aquellos cambios en la materia que originan la formacin de nuevas sustancias, lo que indica que existieronreacciones qumicas.

El cambio Qumico de lamateria se caracteriza por la

existencia de reaccionesqumicas, de cambios en lacomposicin de la materia y

la formacin de nuevassustancias.

Cambio Qumico de la materia: Formacin de cido Clorhdrico, mediante la reaccin de Cloro eHidrgeno.

Observe que en los cambios qumicos la materia sometida al cambio posee unas caractersticas diferentes a lamateria inicial.

Composicin y propiedades de la materiaComo se vio anteriormente, la materia presenta tres estados fsicos, dependiendo de factores ambientales comola presin y la temperatura; independiente de ello, el aspecto de la materia est determinado por las propiedadesfsico-qumicas de sus componentes, encontrndose materia homognea y materia heterognea.

Materia homognea

Es aquella que es uniforme en su composicin y en sus propiedades y presenta una sola fase, ejemplo de ellosera un refresco gaseoso, la solucin salina, el Cloruro de Sodio o sal de cocina; este tipo de materia sepresenta en formas homogneas, soluciones y sustancias puras.

Materia heterognea

Es aquella que carece de uniformidad en su composicin y en sus propiedades y presenta dos o ms fases,ejemplo de ello sera la arena, el agua con aceite; este tipo de materia es tambin conocida como mezcla y se


caracteriza por el mantenimiento de las propiedades de los componentes y la posibilidad que existe desepararlos por medio de mtodos fsicos.

Sustancias puras, elementos y compuestosSustancia pura

Una sustancia es pura cuando se encuentra compuesta por uno o ms elementos en proporciones definidas yconstantes y cualquier parte de ella posee caractersticas similares, definidas y constantes; podramos decir queuna sustancia es pura cuando se encuentra compuesta en su totalidad por ella y no contiene cantidades de otrassustancias; ejemplos de ello seran la sacarosa, el agua, el oro.

Elemento:

Sustancia pura imposible de descomponer mediante mtodos qumicos ordinarios, en dos o ms sustancias,ejemplo: el Hidrgeno (H), el Oxgeno (O), el Hierro (Fe), el Cobre (Cu).

Compuesto:

Sustancia pura posible de descomponer mediante mtodos qumicos ordinarios, en dos o ms sustancias,ejemplos: El agua (H2O), la sal (NaCl), el cido Sulfrico (H2SO4).

Mapa conceptual que muestra la categorizacin de la materia, dependiendo de las caractersticas y composicinde las sustancias constituyentes.


EnergaEl movimiento de los constituyentes de la materia, los cambios qumicos y fsicos y la formacin de nuevassustancias se originan gracias a cambios en la energa del sistema; conceptualmente, la energa es la capacidadpara realizar un trabajo o transferir calor; la energa a su vez se presenta como energa calrica, energamecnica, energa qumica, energa elctrica y energa radiante; estos tipos de energa pueden seradems potencial o cintica. La energa potencial es la que posee una sustancia debido a su posicin espacialo composicin qumica y la energa cintica es la que posee una sustancia debido a su movimiento.

Tipos de energa

Manifestaciones de la energa

Energa Mecnica: El movimiento de las hlices delmolino de viento es transferido a un sistemamecnico de piones, para producir energaelctrica o lograr la ascensin de agua de un pozosubterrneo


Energa Calrica o radiante: El calor o la luzemitida desde el sol es aprovechada por las plantaspara producir energa qumica en forma decarbohidratos.

Energa Elctrica: El movimiento de electroneslibres, produce la energa elctrica, usada parahacer funcionar electrodomsticos, trenes, yartefactos industriales.

Energa Qumica: La combustin de hidrocarburoscomo el petrleo, liberan gran cantidad de energa.

Formas de medicin de la energaPoseer un referente de la cantidad de energa que se intercambia en las diferentes interacciones de la materiarequiere de patrones de medicin. Como la forma de energa que tiene mayor expresin es la energa calrica,entendida sta como la energa que se intercambia entre dos sustancias cuando existe diferencias detemperatura entre ambas, trataremos las unidades de medida de esta.

La cantidad de energa cedida o ganada por una sustancia se mide en caloras o joules.

Una calora (cal) es igual a la cantidad de calor necesario para elevar de 14,5o C a 15,5o C 1 gramo de agua.Como factor de conversin diremos que una calora equivale a 4,184 joules.

1 cal = 4,184 J


Es necesario diferenciar la calora utilizada como herramienta de medicin de la energa calrica en qumica, dela calora utilizada en nutricin, ya que la calora contenida en los alimentos (Cal) o gran calora, equivale a 1.000caloras o 1 Kilocalora (Kcal).

2 cubos de azcar ( 10 g), contienen 37,5 Calnutricionales, lo que equivale a 37,5 Kcal, 37.500cal qumicas y 156.900 j.

Calor especifico

Has sentido que unas sustancias se calientan con mayor rapidez que otras?, el calor especifico se relacionacon ello; conceptualmente, el calor especfico es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura deuna sustancia determinada; desde el punto de vista qumico, es la cantidad de caloras requeridas para elevaren un grado centgrado la temperatura de un gramo de una sustancia, o es el nmero de joules requeridos paraelevar en un grado kelvin la temperatura de un kg de una sustancia.

Calor Especfico del agua: 1 cal/g o C

Este valor significa que para elevar 1 gradocentgrado la temperatura de 1 g de agua, se

requiere 1 calora.

Calor Especifico del Aluminio: 0,217 cal/g o C

Este valor significa que para elevar 1 gradocentgrado la temperatura de 1 g de Aluminio se

requieren 0,217 caloras.

Valores comparativos del calor especifico del agua en estado lquido y el aluminio en estado slido.

Ley de la conservacin de Masa-Energa

Para concluir esta parte temtica, abordemos una pregunta: en el momento de ocurrir un cambio fsico oqumico (reaccin qumica) en una sustancia, existe perdida de masa y/o energa?

Antoine Laurent Lavoiser (743-1749) y James Prescott Joule (1818-1889), dedicaron parte de su trabajocientfico en la solucin de este problema, llegando a la conclusin de que en las reacciones qumicas y en los


cambios fsicos las masas de las sustancias participantes no se crean ni destruyen, solo se transforman; estaconclusin se conoce con el nombre de Ley de la conservacin de la masa.

En esteejemplo dereaccinqumica,4.032 g deHidrgenogaseoso,reaccionancon 141.812 gde clorogaseoso, paraformar145.844 g decidoclorhdrico.

La suma delos reactivoses igual a lasuma de losproductos.

La masa delos reactivosno sedestruy,estos secombinaron ysetransformaron en unanuevasustancia.

Ejemplo de la ley de la conservacin de la materia: formacin del cido clorhdrico, mediante la reaccin delHidrgeno con el Cloro.


Energa es vida: Tipos o formas de energa

Todo lo que vemos a nuestro alrededor se mueve o funciona debido aalgn tipo o fuente de energa, lo cual nos demuestra que la energahace que las cosas sucedan.

Si es de da, el Sol nos entrega energa en forma de luz y de calor. Sies de noche, los focos usan energa elctrica para iluminar. Si vespasar un auto, piensa que se mueve gracias a la gasolina, un tipo deenerga almacenada. Nuestros cuerpos comen alimentos, que tienenenerga almacenada. Usamos esa energa para jugar, estudiar... paravivir.

Desde una perspectiva cientfica, podemos entender la vida como unacompleja serie de transacciones energticas, en las cuales la energaes transformada de una forma a otra, o transferida de un objeto haciaotro.

Pensemos, por ejemplo, en un duraznero. El rbol absorbe luz energa de la radiacin solar, convirtiendo laenerga luminosa en energa potencial qumica almacenada en enlaces qumicos. Luego utiliza esta energa paraproducir hojas, ramas y frutos. Cuando un durazno, "lleno" de energa potencial qumica, se cae del rbol alsuelo, su energa de posicin (almacenada como energa potencial gravitacional) se transforma en energacintica, la energa del movimiento, a medida que cae. Cuando el durazno golpea el suelo, la energa cintica setransforma en calor (energa calrica) y sonido (energa acstica). Cuando alguien se come el durazno, eseorganismo transforma su energa qumica almacenada en el movimiento de unos msculos (entre otras cosas)...

Con las mquinas y las fuentes energticas sucede lo mismo. El motor de un auto, por ejemplo, transforma lagasolina (que contiene energa qumica almacenada hace mucho tiempo por seres vivos) en calor. Luegotransforma ese calor en, por ejemplo, energa cintica.

Qu tienen en comn todos los ejemplos que hemos dado? Dos cosas: la transformacin (de una energa enotra) y latransferencia (la energa pasa de un objeto hacia otro).

El principio crucial y subyacente en estas series de transformacionesde energa (y en todas las transacciones energticas) es que laenerga puede cambiar su forma, pero no puede surgir de la nadao desaparecer. Si sumamos toda la energa que existe despus deuna transformacin energtica, siempre terminaremos con la mismacantidad de energa con la que comenzamos, pese a que la formapuede haber cambiado.

Este principio es una de las piedras angulares de la fsica, y nospermite relacionar muchos y muy diversos fenmenos. En qu separecen una pelota de ftbol impulsada por una patada, a la llama deuna vela? Cmo podemos comparar cualquiera de ellos con un balnde gas, o con el sndwich que te comiste al almuerzo? La energa

cintica de la pelota, la energa calrica de la llama, la energa potencial qumica del gas y el sndwich puedenmedirse y ser todas transformadas y expresadas en trabajo, en "hacer que algo suceda". Este es un paso haciael entendimiento y la comprensin de la unidad esencial de la Naturaleza.

Fuentes energticas

En la naturaleza existen diversas fuentes de energa; esto es, elementos o medios capaces de producir algntipo de energa.

Sol


Como fuentes, capaces de producir algn tipo de energa, tenemos algunas que se presentan como agotables ono renovables: el carbn, el petrleo, el gas natural, la fuerza interna de la tierra (fuente geotrmica de energa),los ncleos atmicos (fuente nuclear de energa).

Hay otras fuentes capaces de producir energa y que se presentan como inagotables o renovables: ros y olas(fuente hidrulica de energa, Ver Energa hidrulica), el sol (fuente solar de energa, Ver Energa solar), elviento (fuente elica de energa, Ver Energa elica.), las mareas (fuente mareomotriz de energa, Ver Energadel mar), la biomasa (fuente orgnica de energa).

Cualquiera de estas fuentes es capaz de producir alguno de los diferentes tipos o formas de energa que seconocen.

Tipos o formas de energa

1.- Energa mecnica.

2.- Energa calrica o trmica

3.- Energa qumica.

4.- Energa radiante o lumnica

5.- Energa elctrica o electricidad.

6.- Energa nuclear.

7.- Energa magntica

8.- Energa metablica.

Si intentamos una definicin de energa, y concordamos en que energa es todo aquello que puede hacercambiar las propiedades de la materia, en un continuo de transformaciones, entenderemos por qu se llamaenerga tanto a las fuentes como a los tipos de ella.

As, se habla comnmente de energa hidrulica o hidroelctrica para referirse a la energa elctrica queproviene de una fuente hdrica (ros, embalses y, eventualmente, olas), que son tales debido a la energamecnica almacenada en las aguas, las cuales al moverse o caer transforman su propia energapotencial en energa cintica.

La energa mecnica es la empleada para hacer mover a otro cuerpo. sta se divide a su vez en dos energas:la energa potencial(es la que poseen los cuerpos debido a la posicin en que se encuentran, es decir uncuerpo en altura tiene ms energa potencial que un cuerpo en la superficie del suelo) y energa cintica (es laque poseen los cuerpos debido a su velocidad).

Un tipo de energa potencial muy conocido es el de la energa potencial hidrulica que es la que se obtiene dela cada del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de ruedas hidrulicas oturbinas. En esta categora podra incluirse tambin la energa del mar, que se puede obtener del movimiento desus aguas, ya sea como olas o como mareas.

Energa calrica o trmica: es la que se trasmite entre dos cuerposque se encuentran a diferente temperatura. El calor es la vibracin demolculas de un cuerpo. La vibracin es movimiento. Unos de los finespara que se utiliza la energa calrica es para causar movimiento dediversas mquinas.

El calor es energa en trnsito, que se hace evidente cuando un cuerpocede calor a otro para igualar las temperaturas de ambos. En estesentido, los cuerpos ceden o ganan calor, pero no lo poseen.

Todo el calor proviene directa o indirectamente del sol.

Cuando se aprovecha directamente este calor a travs de ingeniososaparatos que lo almacenan y transforman en algn tipo de trabajo, sehabla de energa solar. Energa calrica.


Los procesos fsicos por los que se produce la transferencia de calor son la conduccin, la radiacin y laconveccin. La conduccin requiere contacto fsico entre los cuerpos o las partes de un cuerpo queintercambian calor, pero en la radiacin no hace falta que los cuerpos estn en contacto ni que haya materiaentre ellos. La conveccin se produce a travs del movimiento de un lquido o un gas en contacto con un cuerpode temperatura diferente. (Ver, adems, Energa geotrmica)

La energa qumica es la que generan los alimentos y los combustibles, o, ms exactamente, la contenida en lasmolculas qumicas y que se desarrolla en una reaccin qumica. Conocemos el resultado del alimento ennuestro cuerpo: desarrollamos energa para realizar diferentes trabajos. La energa procedente del carbn, de lamadera, del petrleo y del gas en combustin, hace funcionar motores y proporciona calefaccin.

La energa radiante o lumnica es aquella que ms frecuentemente vemos en forma de luz y que nos permitever las cosas alrededor de nosotros. Se propaga en todas las direcciones, se puede reflejar en objetos y puedepasar de un material a otro.

La luz proviene de los cuerpos llamados fuentes o emisores. Llena el Universo, emitida por el Sol y por todas lasestrellas que son fuentes luminosas naturales (igual como lo son el fuego y algunos insectos como laslucirnagas). Sobre la Tierra, las plantas verdes se mantienen vivas gracias a la energa radiante del Sol, eincluso la vida de los animales entre ellos el hombre depende de esta energa. Adems de la luz, las ondasde radio, los rayos X, los rayos ultravioleta, son formas de energa radiante invisibles, utilizadas por el hombre.

Existen tambin fuentes luminosas artificiales (las ampolletas, los tubos fluorescentes y las linternas).

El hombre ha ideado diferentes formas para utilizar la energa luminosa que proviene del sol. Algunas de ellasson los colectores solares y espejos curvos especiales, que se utilizan en calefaccin y para generar energaelctrica. La energa solar tiene la ventaja de no contaminar.

Energa elctrica (o electricidad): es la que se produce por el movimiento de electrones a travs de unconductor. Se divide a su vez en energa magntica (energa de los imanes), esttica y corriente elctrica.

La electricidad es una forma de energa que se puede trasmitir de un punto a otro. Todos los cuerpos presentanesta caracterstica, propia de las partculas que lo forman, pero algunos la transmiten mejor que otros.

Los cuerpos, segn su capacidad de trasmitir la electricidad, se clasifican en conductores y aisladores.

Conductores son aquellos que dejan pasar la electricidad a travs de ellos. Por ejemplo, los metales.

Aisladores son los que no permiten el paso de la corriente elctrica.

Centrales elctricas

Son instalaciones que transforman en energa elctrica, la energa mecnica que produce una cada de agua(centrales hidroelctricas), o energa calrica o trmica, que se produce por la combustin de carbn o gasnatural (centrales termoelctricas).

La energa nuclear o atmica es la que procede del ncleo del tomo, la ms poderosa conocida hasta elmomento. Se le llama tambin energa atmica, aunque este trmino en la actualidad es considerado incorrecto.Esta energa se obtiene de la transformacin de la masa de los tomos de uranio, o de otros metales pesados.

Aunque la energa nuclear es la descubierta ms recientemente por el hombre, en realidad es la ms antigua: laluz del Sol y dems estrellas, proviene de la energa nuclear desarrollada al convertirse el hidrgeno en helio.

Energa magntica: es aquella que est en los imanes y se produce porque los imanes estn cargados concargas de electrones, generalmente positivas. Esto hace que si uno acerca algn cuerpo de metal que sea dadorde electrones al imn, el primero seda el electrn y quede cargado con una carga opuesta al imn lo que implicala atraccin de los cuerpos.

Hoy se conoce la naturaleza del magnetismo y es posible fabricar potentes imanes de distintos tamaosutilizando el acero. Los mejores estn hechos de aleaciones de acero especialmente ideadas para mantener laspropiedades magnticas.

Energa metablica: es aquella generada por los organismos vivos gracias a procesos qumicos de oxidacincomo producto de los alimentos que ingieren.


Energa, fuerza y trabajoEnerga, fuerza y trabajo son conceptos muy relacionados,aunque son distintos entre s.

Bsicamente, la energa est presente en todos los cuerpos (si elcuerpo est en reposo posee energa potencial y si est enmovimiento la energa potencial se ha trasformado en energacintica).

La fuerza es una accin que solo se puede expresar (ver susresultados) cuando hay interaccin entre dos cuerpos. Fuerzaaplicada de un cuerpo al otro transforma la energa potencial encintica.

El resultado de esta aplicacin de fuerza para transformar laenerga se denomina trabajo.

Clarifiquemos un poco.

Respecto a la energa:La energa es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual stos puedentransformarse modificando su situacin o estado, as como actuar sobre otros originando en ellos procesos detransformacin. Sin energa, ningn proceso fsico, qumico o biolgico sera posible. Dicho en otros trminos,

Energa humana y animal.


todos los cambios materiales estn asociados con una cierta cantidad de energa que se pone en juego, se cedeo se recibe.

Conceptualmente, energa es la capacidad para realizar untrabajo o para transferir calor; la energa a su vez se presentacomo energa calrica, energa mecnica, energa qumica,energa elctrica y energa radiante; estos tipos de energapueden ser adems potencial o cintica. La energa potencial esla que posee una sustancia debido a su posicin espacial ocomposicin qumica y la energa cintica es la que posee unasustancia debido a su movimiento.

Ver:

Energa mecnica y trabajo

Tipos de energa

Respecto a la fuerza:De modo natural, todos los cuerpos ejercen interacciones entre s. Al hacerlo, producen efectos que puedencambiar la forma de algunos o pueden moverlos o detenerlos.

La mgnitud de estas interacciones se puede medir utilizando el concepto de fuerza, la cual podemos definir as:

Fuerza es la interaccin entre dos cuerpos, que produce cambios ya sea en la forma o en el estado (reposo omovimiento) de ellos.

Las leyes que rigen el comportamiento de lasfuerzas las enunciNewton y hoy se conocencomo Las tres leyes de Newton y conforman losPrincipios de la Dinmica.

Ver:

Concepto de fuerza

Respecto al trabajo:En el lenguaje cotidiano, la palabra trabajo seasocia a todo aquello que suponga un esfuerzofsico o mental, y que por tanto produce cansancio.

En fsica se produce trabajo slo si existe unafuerza que al actuar sobre un cuerpo da lugar a sudesplazamiento.

Entonces, se llama trabajo al resultado o efecto producido luego de aplicar una fuerza para hacer que algo sedesplace en la direccin de esa fuerza.

La fuerza al patear el baln lo desvade su trayectoria.

De forma simple: el trabajo es el resultado de laaplicacin de una fuerza.


PRINCIPIO DE LA CONSERVACIN DE LA ENERGA

JAMES PRESCOT JOULE

Este famoso hombre fue un fsico ingls nacido en 1818 y que murien 1889. Joule recibi cierta educacin formal en matemticas, filosofay qumica, aunque en gran parte fue autodidacta. Su investigacin lollev a establecer el principio de conservacin de la energa.

CONSERVACIN DE LA ENERGAEl Principio de conservacin de la energa indica que la energa no se crea ni sedestruye; slo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, laenerga total permanece constante; es decir, la energa total es la misma antes y despusde cada transformacin, aunque existe un cierto nivel de degradacin.En el caso de la energa mecnica se puede concluir que, en ausencia de rozamientos ysin intervencin de ningn trabajo externo, la suma de las energas cintica y potencialpermanece constante. Este fenmeno se conoce con el nombre de Principio deconservacin de la energa mecnica.

Si no existe un trabajo externo se cumple:

Si en el sistema anterior hay fuerzas interiores no conservativas como las fuerzas derozamiento cuyo trabajo supone una disipacin de la energa mecnica del sistema, elprincipio anterior tendremos que escribirlo as:

Por ltimo, si sobre el sistema se realiza trabajo exterior, el principio de conservacin loescribiremos de la siguiente forma.


ENERGA CINTICALa energa es la capacidad de un objeto de transformar el mundo que le rodea. Su unidades el Joule. Los cuerpos por el hecho de moverse tienen la capacidad de transformar suentorno. Por ejemplo al movernos somos capaces de transformar objetos, de chocar, deromper, etc.Llamamos energa cintica a la energa que posee un cuerpo por el hecho de moverse. Laenerga cintica de un cuerpo depende de su masa y de su velocidad segn la siguienterelacin:

La velocidad de un cuerpo proporciona una capacidad al mvil de transformar el medioque le rodea. Esta capacidad es su energa cintica que depende del cuadrado de la velocidady de la masa.

ENERGA POTENCIALEl hecho de estar bajo la influencia del campo gravitatorio proporciona a los objetos lacapacidad de caer. Su unidad es el Joule. Recordemos el aprovechamiento de los saltos deagua en la generacin de energa elctrica.La energa potencial gravitatoria es la capacidad que tienen los objetos de caer. Tiene suorigen en la existencia del campo gravitatorio terrestre. Su magnitud es directamenteproporcional a la altura en la que se encuentra el objeto, respecto de un origen quecolocamos a nivel de la superficie terrestre, y a la masa del objeto. Su expresin matemticaes:

JOULEUn joule es el trabajo producido por una fuerza de 1 newton, cuyo punto de aplicacin sedesplaza 1 metro en la direccin de la fuerza. En trminos elctricos, un julio es el trabajorealizado por una diferencia de potencial de 1 voltio y con una intensidad de 1 amperiodurante un tiempo de 1 segundo.

DEGRADACIN DE LA ENERGAUnas formas de energa pueden transformarse en otras. En estas transformaciones la energase degrada, pierde calidad. En toda transformacin, parte de la energa se convierteen energa calorfica.

Cualquier tipo de energa puede transformarse ntegramente en calor; pero, ste no puedetransformarse ntegramente en otro tipo de energa. Se dice, entonces, que el calor es unaforma degradada de energa, esto porque ste slo puede ser utilizado y convertido en otrasformas de energa donde se disponga de una diferencia de temperatura.


Son ejemplos:

La energa elctrica, al pasar por una resistencia.La energa qumica, en la combustin de algunas sustancias.La energa mecnica, por choque o rozamiento.

Se define, por tanto, el Rendimiento como la relacin (en % por ciento) entre la energatil obtenida y la energa aportada en una transformacin.

EJEMPLO:Un esfera, parado ubicada a una altura h del piso, tiene una energapotencial mxima debida a su altura ( ), sin embargo la energacintica es cero ( ), porque est parado.

A medida que desciende por la va va perdiendo altura; por tantodisminuye su energa potencial pero gana velocidad, por tanto aumentasu energa cintica. En la mitad del recorrido ambas energas seigualan.

Al llegar abajo la altura se hace cero; por tanto se anula la energapotencial; pero en ese punto la velocidad es mxima; por tanto la energacintica tambin es mxima.

Toda la energa potencial de la parte superior se ha transformado enenerga cintica en la parte baja. La energa se ha transformado, pero no se ha perdido.Esto es lo que dice el Principio de Conservacin de la Energa.

Sin embargo, en el proceso de transformacin, una parte de la energa se degrada enotras formas menos aprovechables, como el calor; en realidad la degradacin supone unaprdida de calidad de la energa, de forma que la nueva forma de energa no setransforma fcilmente en otras formas. En una mquina, cuanto menor sea la prdida, mayorser el rendimiento.

Una de las energas de mayor calidad es la energa elctrica; una de las de menos calidades la energa trmica.


Fuente Nombre Manifestacin UsosSol Solar Luminosa y calor Calor y luz

Viento Elica Mecnica, elctrica Movimiento yelectricidad

Carbn, petrleo,gas natural

De combustin defsiles

Luminosa, qumica,elctrica y calor.

Calor, luz yreaccin qumica

Cadas de agua Hidrulica Mecnica (potencialy cintica)

Movimiento

Desechos orgnicos Biomsica Lumnica y calor Calor y luz

Calor de la Tierra Geotrmica Elctrica Electricidad

tomos Nuclear y atmica Elctrica Electricidad

Olas del mar Martima Mecnica Movimiento

Reaccionesqumicas

Qumica Qumica, elctrica ycalor.

Reaccin qumica yelectricidad

Sonido Sonora Mecnica y sonora Movimiento ysonido

APLICACIONES:La gasolina de tu auto es un depsito de energa qumica que el motor del vehculotransforma en energa calrica y en movimiento que se transmite a las ruedas, dondepor accin del rozamiento parte de la energa impulsa el vehculo y otra parte sepierde en forma de calor

La energa siempre pasa de formas ms tiles a formas menos tiles. Por ejemplo,en un volcn la energa interna de las rocas fundidas puede transformarse en energatrmica produciendo gran cantidad de calor; las piedras lanzadas al aire y la lavaen movimiento poseen energa mecnica; se produce la combustin de muchosmateriales, liberando energa qumica; etc.

Un radiador elctrico transforma la energa elctrica en energa calorfica, una pilatransforma la energa qumica en energa elctrica, una lmpara transforma laenerga elctrica en energa luminosa, etc.

FUENTES Y TIPOS DE ENERGA


TRANSFORMACIONES DE LA ENERGA

BIBLIOGRAFA:http://www.mailxmail.com/curso-energia/energia-principio-conservacion-degradacion- fuenteshttp://www.iesmarquesdesantillana.org/node/861http://www.kalipedia.com/ecologia/tema/comprueba-cumple-principio-conservacion.html?x1=20070924klpcnafyq_267.Kes&x=20070924klpcnafyq_269.Keshttp://cerezo.pntic.mec.es/~jgrima/prin_leyes.htmhttp://www.heurema.com/PDF17.htmhttp://www.resueltoscbc.com.ar/teoricos/biofisica/pdf/T1-6.pdfhttp://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070529064222AAuoXeehttp://www.kalipedia.com/fisica-quimica/tema/principio-conservacion-energia.html?x=20070924klpcnafyq_269.Keshttp://www.monografias.com/trabajos36/conservacion-energia-mecanica/conservacion- energia-mecanica2.shtmlhttp://www.cientec.or.cr/ciencias/energia/articulo1.htmlhttp://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/energia/transformaciones.htm?3&0http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades


Cuestionario de unidad 5Generalidades-

1. Escriba el principio fundamental de la conservacin de la energaLa energa no se crea ni se destruye; slo se transforma de unas formas enotras.

2. Quien estableci el principio de la conservacin de la energa?James Prescott Joule

3. Escriba la ecuacin del principio de conservacin de la energamecnica

4. Escriba la ecuacin fundamental del principio de conservacin de laenerga ideal

5. Que capacidad le otorga la energa cintica a una partcula?Le otorga la capacidad de cambiar el entorno que lo rodea, esto debido almovimiento que realiza con una velocidad cualquiera.

6. Cul es la ecuacin de la energa cintica?

7. Que capacidad le significa la energa potencial a una partcula ubicadaa una altura h?Le significa la capacidad de caer por influencia del campo gravitacional.

8. Cul es la ecuacin del la energa potencial?

9. Desglose la unidad Joule en trminos de kg, m y s, y de N, m


10. Si existe rozamiento, y el trabajo externo es nulo, como seexpresa la ecuacin para la conservacin de la energa?

11. Si existe rozamiento, y el trabajo externo es diferente de cero,como se expresa la ecuacin para la conservacin de laenerga?

12. A que hace referencia el termino degradacin de la energa?Hace referencia a la prdida de calidad de la energa en cada una desus transformaciones.

13. Como se calcula el rendimiento de la energa en un sistema?

14. En que tipos de energas se puede transformar la energa solar?EnergahidrulicaEnerga qumicaEnergacalorfica

15. El viento en que tipos de energa se puede transformar?Energa mecnicaEnerga elctrica


Los sistemas fsicos que encontramos en la Naturaleza consisten en un agregadode un nmero muy grande de tomos.

La materia est en uno de los tres estados: slido, lquido o gas: En los slidos,las posiciones relativas (distancia y orientacin) de los tomos o molculas sonfijas. En los lquidos, las distancias entre las molculas son fijas, pero suorientacin relativa cambia continuamente. En los gases, las distancias entremolculas, son en general, mucho ms grandes que las dimensiones de lasmismas. Las fuerzas entre las molculas son muy dbiles y se manifiestanprincipalmente en el momento en el que chocan. Por esta razn, los gases sonms fciles de describir que los slidos y que los lquidos.

El gas contenido en un recipiente, est formado por un nmero muy grande demolculas, 6.021023 molculas en un mol de sustancia. Cuando se intentadescribir un sistema con un nmero tan grande de partculas resulta intil (eimposible) describir el movimiento individual de cada componente. Por lo quemediremos magnitudes que se refieren al conjunto: volumen ocupado por unamasa de gas, presin que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente y sutemperatura. Estas cantidades fsicas se denominan macroscpicas, en el sentidode que no se refieren al movimiento individual de cada partcula, sino del sistemaen su conjunto.

Conceptos bsicosDenominamos estado de equilibrio de unsistema cuando las variables macroscpicaspresin p, volumen V, y temperatura T, nocambian. El estado de equilibrio es dinmico enel sentido de que los constituyentes del sistemase mueven continuamente.

El estado del sistema se representa por unpunto en un diagrama p-V. Podemos llevar alsistema desde un estado inicial a otro final atravs de una sucesin de estados deequilibrio.

Se denomina ecuacin de estado a la relacin que existe entre las variables p, V,y T. La ecuacin de estado ms sencilla es la de un gas ideal pV=nRT,


donde n representa el nmero de moles, y R la constante de los gases R=0.082atml/(K mol)=8.3143 J/(K mol).

Se denomina energa interna del sistema a la suma de las energas de todas suspartculas. En un gas ideal las molculas solamente tienen energa cintica, loschoques entre las molculas se suponen perfectamente elsticos, la energainterna solamente depende de la temperatura.

Trabajo mecnico hecho por o sobre el sistema.Consideremos, por ejemplo, un gas dentro de uncilindro. Las molculas del gas chocan contra lasparedes cambiando la direccin de su velocidad, o de sumomento lineal. El efecto del gran nmero de colisionesque tienen lugar en la unidad de tiempo, se puederepresentar por una fuerza F que acta sobre toda lasuperficie de la pared.

Si una de las paredes es un mbolo mvil de rea A y ste se desplaza dx, elintercambio de energa del sistema con el exterior puede expresarse como eltrabajo realizado por la fuerza F a lo largo del desplazamiento dx.dW=-Fdx=-pAdx=-pdV

Siendo dV el cambio del volumen del gas.

El signo menos indica que si el sistema realiza trabajo (incrementa su volumen)su energa interna disminuye, pero si se realiza trabajo sobre el sistema(disminuye su volumen) su energa interna aumenta.

El trabajo total realizado cuando el sistema pasa del estado A cuyo volumenes VA al estado B cuyo volumen es VB.


El calor

El calor no es una nueva forma de energa, es el nombre dado a una transferenciade energa de tipo especial en el que intervienen gran nmero de partculas. Sedenomina calor a la energa intercambiada entre un sistema y el medio que lerodea debido a los choques entre las molculas del sistema y el exterior al mismoy siempre que no pueda expresarse macroscpicamente como producto de fuerzapor desplazamiento.

Se debe distinguir tambin entre los conceptos de calor y energa interna de unasustancia. El flujo de calor es una transferencia de energa que se lleva a cabocomo consecuencia de las diferencias de temperatura. La energa interna es laenerga que tiene una sustancia debido a su temperatura, que es esencialmente aescala microscpica la energa cintica de sus molculas.

El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementasu energa interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema,por lo que disminuye su energa interna.

Cuando una sustancia incrementa su temperatura de TA a TB, el calor absorbido seobtiene multiplicando la masa (o el nmero de moles n) por el calorespecfico c y por la diferencia de temperatura TB-TA.

Q=nc(TB-TA)

Cuando no hay intercambio de energa (en forma de calor) entre dos sistemas,decimos que estn en equilibrio trmico. Las molculas individuales puedenintercambiar energa, pero en promedio, la misma cantidad de energa fluye enambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estn enequilibrio trmico deben de estar a la misma temperatura.

Primera ley de la Termodinmica

La primera ley no es otra cosa que el principio de conservacin de la energaaplicado a un sistema de muchsimas partculas. A cada estado del sistema lecorresponde una energa interna U. Cuando el sistema pasa del estado A al estadoB, su energa interna cambia en

U=UB-UA


Supongamos que el sistema est en el estado A y realiza un trabajo W,expandindose. Dicho trabajo mecnico da lugar a un cambio (disminucin) de laenerga interna de sistema

U=-WTambin podemos cambiar el estado del sistema ponindolo en contacto trmicocon otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q delsegundo al primero, aumenta su energa interna en

U=QSi el sistema experimenta una transformacin cclica, el cambio en la energainterna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismoestado, U=0. Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo,que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia decalor, para preservar el principio de conservacin de la energa, W=Q.

Si la transformacin no es cclica U 0 Si no se realiza trabajo mecnico U=Q Si el sistema est aislado trmicamente U=-W Si el sistema realiza trabajo, U disminuye Si se realiza trabajo sobre el sistema, U aumenta Si el sistema absorbe calor al ponerlo en contacto trmico con un foco a

temperatura superior, U aumenta. Si el sistema cede calor al ponerlo en contacto trmico con un foco a una

temperatura inferior, U disminuye.Todo estos casos, los podemos resumir en una nica ecuacin que describe laconservacin de la energa del sistema.

U=Q-W

Si el estado inicial y final estn muy prximos entre s, el primer principio seescribe

dU=dQ-pdV


Transformaciones

La energa interna U del sistema depende nicamente del estado del sistema, enun gas ideal depende solamente de su temperatura. Mientras que la transferenciade calor o el trabajo mecnico dependen del tipo de transformacin o caminoseguido para ir del estado inicial al final.

Iscora o a volumen constante

No hay variacin de volumen del gas, luego

W=0

Q=ncV(TB-TA)

Donde cV es el calor especfico a volumen constante

Isbara o a presin constante

W=p(vB-vA)

Q=ncP(TB-TA)

Donde cP es el calor especfico a presin constante

Calores especficos a presin constante cP y a volumen constante cVEn una transformacin a volumen constante dU=dQ=ncVdT

En una transformacin a presin constante dU=ncPdT-pdV


Como la variacin de energa interna dU no depende del tipo de transformacin,sino solamente del estado inicial y del estado final, la segunda ecuacin se puedeescribir como ncVdT=ncPdT-pdV

Empleando la ecuacin de estado de un gas ideal pV=nRT, obtenemos la relacinentre los calores especficos a presin constante y a volumen constante

cV=cP-R

Para un gas monoatmico

Para un gas diatmico

La variacin de energa interna en un proceso AB es U=ncV(TB-TA)

Se denomina ndice adiabtico de un gas ideal al cociente

Isoterma o a temperatura constante

pV=nRT

La curva p=cte/V que representa la transformacin en un diagrama p-Ves unahiprbola cuyas asntotas son los ejes coordenados.

U=0Q=W

Adiabtica o aislada trmicamente, Q=0


La ecuacin de una transformacin adiabtica la hemos obtenido a partir de unmodelo simple de gas ideal. Ahora vamos a obtenerla a partir del primerprincipio de la Termodinmica.

Ecuacin de la transformacin adiabtica

Del primer principio dU=-pdV

Integrando

Donde el exponente de V se denomina ndice adiabtico del gas ideal

Si A y B son los estados inicial y final de una transformacin adiabtica secumple que

Para calcular el trabajo es necesario efectuar una integracin similar a latransformacin isoterma.

Como podemos comprobar, el trabajo es igual a la variacin de energa internacambiada de signo

Si Q=0, entonces W=-U=-ncV(TB-TA)


Cuadro-resumen de las transformaciones termodinmicasEcuacin de estado de un gas ideal pV=nRT

Ecuacin de una transformacinadiabtica

Relacin entre los calores especficos cp-cV=R

ndice adiabtico de un gas ideal

Primer Principio de la Termodinmica U=Q-W

Transformacin Calor Trabajo Var. Energa Interna

Iscora (v=cte) Q=ncV(TB-TA) 0 U=ncV(TB-TA)

Isbara (p=cte) Q=ncp(TB-TA) W=p(VB-VA) U=ncV(TB-TA)

Isoterma (T=cte) Q=W U=0

Adibtica (Q=0) 0 W=-U U=ncV(TB-TA)

Clculo del trabajo, calor y variacin de energa interna de una transformacin

En el primer applet se pueden examinar las diversas transformacionestermodinmicas, con datos introducidos por el usuario. Conocido el estado inicialy el estado final el programa calcula el trabajo, calor y variacin de energainterna.

Se introduce el estado inicial en los controles de edicintitulados presin, volumen y temperatura de la primera columna.


Si se elige la transformacin isbara pulsando en el botn de radiocorrespondiente situado en el panel izquierdo del applet, la presin final es lamisma que la del estado inicial, solamente es necesario introducir el valor delvolumen o de la temperatura del estado final. El programa calcula la variable quequeda por especificar empleando la ecuacin de estado del gas ideal.

Si se elige la transformacin iscora, el volumen del estado inicial es el mismoque el volumen final, solamente es necesario introducir el valor de la presin o dela temperatura. El programa calcula la variable que queda por especificarempleando la ecuacin de estado del gas ideal.

Si se elige la transformacin isoterma, la temperatura del estado inicial es lamisma que la temperatura del final, solamente es necesario introducir el valor dela presin o del volumen. El programa calcula la variable que queda porespecificar empleando la ecuacin de estado del gas ideal.

Si se elige la transformacin adiabtica, solamente es necesario introducir elvalor de la presin, o del volumen o de la temperatura, las dos variables restanteslas calcula el programa empleando la ecuacin de de una transformacinadiabtica entre el estado inicial y final y la ecuacin de estado del gas ideal en elestado final.

El applet indica los datos que necesita el programa y avisa si se han introducidoms datos de los necesarios en los controles de edicin.

Pulsando el botn titulado Calcular, se completa el estado final y se calcula eltrabajo, el calor y la variacin de energa interna. Adems, comienza unaanimacin, en la que observamos en la parte inferior, un cilindro que contiene elgas con un pistn mvil y que est en contacto con un foco de calor. Elmovimiento del pistn indica si el gas se expande o se comprime, y una flecha decolor amarillo, indica si el sistema recibe calor del foco, o bien cede calor al foco.

En la parte superior, aparece la representacin grfica de la transformacintermodinmica en un diagrama pV.

En la parte derecha, un diagrama de barras en la que se representacomparativamente, el trabajo (en color azul), la variacin de energa interna (encolor gris oscuro) y el calor (en color rojo). A partir de este diagrama podemoscomprobar visualmente el primer principio. A medida que se recorre la sucesinde estados de equilibrio, entre el estado inicial y final, vemos como el sistemaproduce trabajo, cambia la energa interna, recibe o cede calor, etc.


Ciclos trmicos

El programa permite tambin examinar las distintas etapas de un ciclo trmico.En un ciclo el estado final de una etapa es el estado inicial de la siguiente. Elbotn titulado


Una mquina trmica trabaja con un gasmonoatmico, describiendo el ciclo reversibleABCD de la figura. Sabiendo que VC = 2 VB:

Calcular el valor de las variablestermodinmicas desconocidas en cadavrtice.

Calcular en cada etapa del ciclo, eltrabajo, el calor y la variacin deenerga interna.

El rendimiento del ciclo.

Se activa el botn de radio titulado MonoatmicoProceso A BEn el estado inicial, introducimosp=1.5 atmV=48 litrosT=293 K.Se especifica el proceso, activando el botn de radio titulado AdiabticoEstado final, introducimosp=30 atmObtenemos el valor de las variables desconocidas V y T del estado finalV=7.95 litrosT=791.13 KEl trabajoW=-249.96 atmlEl calor Q=0La variacin de energa interna U=249.96 atmlSe pulsa el botn titulado


Proceso B CEstado inicialp=30 atmV=7.95 litrosT=971.13 KSe especifica el proceso, activando el botn de radio titulado Isbara, p=30 atmEstado final, introducimos (el doble del volumen de B)V=15.90 litrosObtenemos el valor de la variable desconocida T del estado finalT=1941.12 KEl trabajo:W=238.36 atmlEl calor: Q=595.90 atmlLa variacin de energa interna: U=357.54 atmlSe pulsa el botn titulado


Obtenemos el valor de la variable desconocida p del estado finalp=9.94 atmEl trabajo:W=527.03 atmlEl calor: Q=527.03 atmlLa variacin de energa interna: U=0 atmlSe pulsa el botn titulado


Comprobamos queW=Qabs-QcedRendimiento del ciclo


Se coloca un tubo vertical de vidrio en la boca de un recipiente grande de gas devolumen V, y se cierra el recipiente con una bola esfrica de acero de masa m queajusta perfectamente al tubo de vidrio de radio r. Se desplaza la bola de suposicin de equilibrio y empieza a oscilar con un periodo que podemos medircon un cronmetro. Conocido el periodo de la oscilacin podemos determinar elndice adiabtico del gas.

Este es en esencia, el procedimiento de Rchardt para medir el ndice adiabticode un gas. Tambin se describe en esta pgina una modificacin de esteprocedimiento.

Mtodo de Rchardt

Equilibrio

Cuando la bola est en equilibrio, la presin p0 en elrecipiente es un poco ms alta que la presin atmosfrica,debido a la presin que ejerce la bola de masa m y radio r.

Transformacin adiabticaLos cambios de presin y de volumen del gas se describen mediante un procesotermodinmico. Si suponemos que la oscilacin transcurre muy rpidamentepodemos considerar que el proceso es adiabtico. La relacin entre la presin y elvolumen del gas en dicho proceso viene dada por la ecuacin.

donde V es el volumen del gas, p la presin y el ndice adiabtico del gas.


Cuando la bola se ha desplazado x de la posicin de equilibrio, el volumen se hareducido en V0- r2x y la presin en el recipiente ha cambiado a p, de modo que

Despejando p

Dado que r2x


En la figura vemos que, cuando la bola se desplazahacia abajo, la presin en el recipiente aumenta, lafuerza sobre la bola est dirigida hacia arriba. Cuandola bola se desplaza hacia arriba la presin disminuye,la fuerza sobre la bola es hacia abajo. Por tanto, lafuerza sobre la bola es de sentido contrario aldesplazamiento, una de las caractersticas del M.A.S.

La segunda ley de Newton en forma diferencial se escribe

Ecuacin diferencial de un Movimiento Armnico Simple (M.A.S.) de frecuenciay periodo

Medimos con un cronmetro el periodo P de las oscilaciones y calculamos elndice adiabtico del gas.

Debido al rozamiento entre la bola y las paredes interiores del tubo, la amplitudde las oscilaciones no es constante, sino que disminuye con el tiempo. Por otraparte, la bola tiene un dimetro ligeramente inferior al dimetro interior del tubo,por lo que el aire circula por el hueco existente entre la bola y el tubo.

Ecuacin del movimientoLa bola describe un MAS de amplitud A, frecuencia angular y fase inicial .La posicin x y la velocidad v de la bola en funcin del tiempo t son


x=Asen( t+ )v=dx/dt=A cos( t+ )

La amplitud y la fase inicial se calculan a partir de las condiciones iniciales. Si enel instante inicial t=0, la bolita parte de la posicin x=x0 con velocidad nula, v=0

x0=Asen0=A cos

Entonces = /2 =3 /2 segn que x0>0 x00, de modo que la ecuacin del movimiento es

x=x0cos( t)

Modificacin de Rinkel

Una modificacin del mtodo de Rchardt fue sugerida por Rinkel en 1929. Estemtodo consiste en sostener la bola en el extremo superior del tubo y dejarlacaer, determinando la altura h que recorre antes de iniciar de nuevo elmovimiento hacia arriba.

Transformacin adiabtica

En la situacin inicial, la bola se coloca en el extremo del tubo de vidrio y semantiene sujeta con la mano. La presin del gas es la presin atmosfrica patm yel volumen es V0.

Se suelta la bola y se desplaza hacia abajo x, tal comose indica en la figura. El volumen del recipiente hadisminuido en V0-r2x, y la presin ha aumentadoa p.


Suponiendo que la trasformacin entre el estado inicial y el estado final esadiabtica, tenemos la siguiente relacin

Suponiendo que el volumen V0 es muy grande respecto a los cambios devolumen del gas en el tubo. Llegamos a la siguiente relacin aproximada.

Cambios energticos

Comparemos la situacin inicial con la bola en el extremo superior del tubo, conla situacin en la que la bola alcanza su mximo desplazamiento recorriendo laaltura h antes de iniciar el movimiento ascendente.

La velocidad inicial y la velocidad final son ambas cero, no hay cambio en la energacintica de la bola.

La bola ha disminuido su altura. El cambio de la energa potencial es -mgh.

El trabajo realizado por la fuerza sobre la bola debidaa la diferencia de presin a ambos lados (p-patm) es

El trabajo es igual a la variacin de energa potencial, ya que la energa cinticano cambiaW=-mghLlegamos finalmente a la expresin


Este es un ejemplo similar al de un cuerpo demasam que se coloca sobre el extremo de un muelleelstico vertical sin deformar de constante k.Determinar la mxima deformacin h del muelle.

Ejemplo:Se necesitan para calcular el ndice adiabtico del gas elegido, los siguientesdatos

Material de la esfera Densidad (kg/m3)

Acero 7700

Cobre 8930

Plomo 11350

Volframio 19340

Presin atmosfrica, patm 101300 Pa

Volumen del recipiente, V0 10 dm3=0.01 m3

Supongamos que elegimos:

como material de la esfera el acero, el dimetro de la esfera 16 mm el gas del recipiente argn..

Mtodo de Rchardt

La masa de la bolita es


La presin de equilibrio es

En la escala horizontal leemos el tiempo de tres oscilaciones que es 2.98 s, elperiodo de una oscilacin es de P=0.99 s.

Llevamos todos los datos a la frmula del coeficiente adiabtico del gas

Pulsando en el botn titulado Respuesta obtenemos el valor 1.62.

El botn Inicio vuelve a dejar caer la bola en el extremo superior del tubo devidrio, en disposicin de volver a iniciar una nueva experiencia.

Modificacin de Rinkel

Medimos el mximo desplazamiento h de la bola. Se utiliza losbotones Pausa y Paso para llegar al momento en el que la bola va a iniciar sumovimiento vertical ascendente.

Con los datos del ejemplo anterior y h=49 cm=0.49 m, introducimos los datos enla frmula

Aplicamos la ecuacin de la transformacin adiabtica

o la aproximacin


para calcular la presin del gas contenido en la vasija cuando la bola hadescendido una altura h=0.49 mp=102938 PaAplicamos la ecuacin de los gases ideales para calcularla temperatura T final,suponiendo una temperatura inicial de 300 K.patmV0=nR300p(V0-r2h)=nRTSe obtiene T=301.8 KLa variacin de energa interna

U=9.36 J es mucho mayor que la variacin de energa potencial de la bolamgh=0.08 J


Descripcin

La ecuacin de una transformacin isoterma espV=cteEn un diagrama p-V las transformaciones isotermas se representan mediantehiprbolas cuyas asntotas son los ejes coordenados, tal como se muestra en lafigura.La pendiente de esta curva para un determinado valor de V es

La ecuacin de una transformacin adiabtica espV=cteLa pendiente de la curva que describe una transformacin adiabtica para elmismo valor de V, es mayor (en valor absoluto) que la correspondiente isotermaya que >1.


El cociente entre ambas pendientes es el ndice adiabtico de un gas ideal

Tomando pequeos incrementos devolumen V podemos realizar la siguienteaproximacin.

Realizando un pequeo cambio de volumen V del gas contenido en elrecipiente medimos la variacin de presin en una transformacin adiabtica(p)S, y la variacin de presin en una transformacin isotrmica (p)T, y a partirde estas medidas, determinamos el ndice adiabtico del gas.

El dispositivo experimental consta de un recipiente cuyo volumen es1098 cm3 que contiene un gas, est conectado a una jeringa de 100 cm3 y a unmanmetro necesario para medir pequeas diferencias de presin.

El estado inicial es

Presin atmosfrica p0=101300 Pa Volumen total (recipiente ms jeringa) V0=1198 cm3 Temperatura ambiente, 27 C T0=273+27=300 K

Transformacin adiabtica

Accionando el mbolo de la jeringa se disminuye el volumen total (recipientems jeringa), aumentando la presin. Si el mbolo se empuja rpidamente conla mano, podemos suponer que la transformacin que lleva al sistema desdeestado inicial al estado final es adiabtica. Si se disminuye el volumen en V elestado final es

Presin p Volumen total V=V0 -V cm3


Temperatura T

La ecuacin de una transformacin adiabtica es

Conocido el volumen final V= V0 -V se calcula la presin p

El incremento de presin es (p)S=p-p0Este incremento de presin se calcula midiendo con un manmetro de mercuriola diferencia de altura hS entre las dos ramas. Aplicando la ecuacinfundamental de la esttica de fluidos(p)S =ghSDonde =13550 kg/m3 y g=9.8 m/s2

Apuntamos la diferencia de presin (p)S mxima que marca el manmetrocuando el mbolo alcanza la posicin final V cm3

Conocida la presin p y el volumen V del estado final se determina latemperatura Tmediante la ecuacin de los gases ideales.pV=nRTEl nmero n de moles se obtiene, aplicando la ecuacin de los gases ideales alestado inicialp0V0=nRT0Transformacin isoterma

Una vez que el mbolo alcanza la posicin final, se espera un cierto tiempohasta que la temperatura del gas contenido en el recipiente se iguala a latemperatura ambiente T0. El gas experimenta, por tanto, una transformacin


iscora o a volumen constante. Ahora bien, la presin final del gas en elrecipiente es la misma que se alcanzara en una trasformacin isoterma a latemperatura T0 desde el estado inicial (p0, V0) al estado final (p, V), vase lafigura ms arribap0V0= p(V0 V)El incremento de presin es (p)T=p-p0Este incremento de presin se calcula midiendo con un manmetro demercurio, la diferencia de altura hT entre las dos ramas. Aplicando la ecuacinfundamental de la esttica de fluidos(p)T =ghTApuntamos la diferencia de presin (p)T final que marca el manmetro.

Actividades

Se elige el gas en el control de seleccin titulado Gas, cuyo ndice adiabticoqueremos determinarGas ndice adiabticoArgn 1.62Anhdrido carbnico 1.28Aire 1.38

Se introduce la variacin de volumen V en cm3, actuando sobre la barra dedesplazamiento titulada Variacin volumen.Se pulsa el botn titulado Empieza

1. El mbolo se mueve rpidamente (trasformacin adiabtica) desde la posicininicial V0=1198 cm3 a la posicin final V=V0V .Apuntamos la diferencia de alturas hS entre las dos ramas del manmetro.

2. Como la temperatura T en el estado final es mayor que en el estado inicial T0=300 K, elrecipiente se enfra hasta que al cabo de un cierto tiempo alcanza la temperatura


ambiente T0, se mide entonces la diferencia hT de alturas entre las dos ramas delmanmetro.

A la izquierda del applet, se muestra mediante un punto de color negro elestado del sistema en cada instante en un diagrama p-V.

En el eje vertical, se indica la diferencia de presin p=p-p0 en mm de mercurio En el eje horizontal, la variacin de volumen V en cm3.

En este diagrama se ha representado la transformacin adiabtica pV=cte (encolor rojo), y la isoterma pV=cte (en color azul), que pasan por el estado inicial(p0, V0). Como >1 la pendiente de la adiabtica es mayor que la de la isoterma.Ejemplo:Elegimos como gas el Aire.

El volumen inicial V0=1198 cm3 La presin inicial p0=101300 Pa La temperatura inicial T0=300 K

Empujamos rpidamente el mbolo de la jeringa y disminuimos el volumen enV=40 cm3. Conocido el volumen final determinamos la presin final mediantela ecuacin de la transformacin adiabtica, con =1.38.

El volumen final es V=1158 cm3. La presin final es p=106160 Pa La temperatura final es T=304 K=31C

La diferencia de presin (p)S=4860 Pa, lo que equivale a una diferencia dealturas entre las dos ramas del manmetro

Se deja enfriar el recipiente hasta que alcanza la temperatura inicial El volumen final es V=1158 cm3. La temperatura final es T0=300 K=27C La presin final es p=104799 Pa


La diferencia de presin es (p)T=3499 Pa, lo que equivale a una diferencia dealturas entre las dos ramas del manmetrohT=21.3 cmEl ndice adiabtico del aire es, por tanto


1. Ecuacin de estado de un gas ideal: PV=nRT2. Transformacin adiabtica: PV =cte.3. Ecuacin fundamental de la esttica de fluidos: p=p0+ gh

Fundamentos fsicos

El dispositivo experimental consta de un recipiente cuyo volumen es V1 quecontiene aire, est conectado a un manmetro necesario para medir pequeasdiferencias de presin y est cerrado por una llave que comunica con laatmsfera.

1. Accionando un inflador (bomba de una bicicleta) aadimos aire alrecipiente y aumentamos su presin al no cambiar el volumen. De modoque, el estado inicial del aire contenido en el recipiente es el siguiente:

Temperatura ambiente T1 Presin p1 algo superior a la presin atmosfrica p0. n1moles de aire contenidos en el volumen V1 del recipiente.


2. Se abre la llave que comunica el recipiente con la atmsfera, el aireexperimenta una transformacin adiabtica, disminuyendo rpidamentesu presin, hasta alcanzar la presin atmosfrica p0.

Temperatura T2 Presin p0 n2moles de aire en el volumen fijo V1 del recipiente. O bien, n1moles en

el volumen mayor (expansin) V2=V1n1/n2.

Como vemos en la figura, n1 moles de un gas se expanden desde unvolumen V1 hasta ocupar un volumen V2, el nmero de moles n2 que permaneceen el volumen V1 despus de la expansin ser n2=n1V1/V2

3. Se cierra la llave y se espera cierto tiempo a que el aire del recipientevuelva a adquirir la temperatura ambiente (calentamiento a volumenconstante). El estado final ser

Temperatura T1 Presin p2 n2moles de aire en el volumen V1 del recipiente, o n1moles en el

volumen V2.


El proceso 1-2 es adiabtico, por tanto,

Como el estado inicial 1 y el estado final 3 tienen lamisma temperatura, se cumple

p1V1=p2V2

Eliminando la cantidades desconocidas V1 y V2 de este sistema de dos ecuaciones,tenemos.

Despejando el ndice adiabtico

Las presiones p1 y p2 las podemos poner como suma de la presin atmosfricams lo que nos marca el manmetro. Si es la densidad del lquido manomtrico,de la ecuacin fundamental de la esttica de fluidos tenemos.

p1=p0+ gh1p2=p0+ gh2

como presiones manomtricas gh son muy pequeas comparadas con la presinatmosfrica p0 podemos hacer la siguiente aproximacin ln(1+x) x

Llegamos finalmente, una expresin muy simplificada.


EjemploLos datos necesarios para realizar los clculos son los siguientes

Dimensiones del inflador: cilindro de longitud 20 cm y 1 cm de radio Volumen del recipiente: 10 litros 0.01 m3 Temperatura ambiente 27C 300 K Presin atmosfrica: 101300 Pa Lquido manomtrico: mercurio de densidad 13550 kg/m3. Constante R de los gases 0.082 atml/(K mol) 8.314 J/(K mol) ndice adiabtico del aire 1.41. Nmero de moles n1 iniciales en el recipiente a la temperatura

ambiente.110=n00.082300 por tanto, n0=0.41 moles

Se acciona N veces el inflador, por lo que se incrementa en n, el nmero demoles del recipiente.

1N2 (0.1)2=n0.082300Por ejemplo si N es 8 veces tenemos que n=0.02 molesEl nmero de moles de aire en el recipiente ser n1=n0+nn1=0.43 moles

La presin del recipiente ser

p1V1=n1RT

p110=0.430.082300 por tanto, p1=1.05 atm

La presin se ha incrementado en 0.05 atm, lo que equivale a una altura de lacolumna de mercurio


0.05101300=135509.8h1 por tanto, h1=0.038 m 21.9 cm

el desnivel entre las dos ramas es de 3.8 cm

2. Expansin adiabticaSe abre la llave y el recipiente pierde n1-n2 moles de aire, donde n1 el nmero demoles iniciales y n2 los moles de aire finales cuando alcanza la presinatmosfrica.

El aire se expande adiabticamente desde una presin p1 y un volumen V1=10litros hasta que alcanza la presin atmosfrica.

El volumen V2 es 10.35 litros

Si en el volumen V2 hay n1 moles en el volumen V1 del recipiente habrnquedado n2 moles, tal que n2=n1V1/V2.

n2=0.412 moles, se han escapado n1-n2=0.01 moles de aire al abrir la llave

La temperatura final del recipiente cuando se ha alcanzado la presin atmosfrica

110=n20.082T2

T2=296 K 23 C, ms baja que la temperatura ambiente que es de 27 C 300K

3. El aire del recipiente se calienta hasta alcanzar la temperaturaambiente, aumentando la presin

p310=n20.082300

p3=1.01 atm, es decir, la presin se ha incrementado en 0.01 atm, lo que equivalea una altura de la columna de mercurio de

0.01101300=135509.8h2 por tanto, h2=0.011 m 20.55 cm

es decir el desnivel entre las dos ramas del manmetro es de 1.1 cm


Actividades

Pulsamos el botn titulado Nuevo. A continuacin, se pulsa varias veces el botntitulado Llenar de aire. Cada vez que se pulsa este botn el mbolo del infladorse desplaza y llena el recipiente de aire. Observamos en el manmetro como seva elevando la presin del recipiente.

Despus de haber accionado de 5 a 10 veces el inflador, se abre la llave pulsandoen el botn titulado Abrir llave, apuntamos el desnivel h1 entre las dos ramas delmanmetro. El aire sale por la parte superior del recipiente, y la presindisminuye rpidamente, la temperatura baja unos grados.Cuando la presin toma el valor inicial, es decir, el manmetro marca cero, secierra la llave pulsando el mismo botn que ahora se titula Cierra llave. Latemperatura asciende al calentarse el aire del recipiente. La presin asciendecomo observamos en el manmetro hasta marcar un desnivel entre sus ramasde h2.

EjemploSe ha accionado 8 veces el inflador. El desnivel entre las dos ramas delmanmetro es de h1=21.9 cm

Se abre la llave hasta que la presin en el recipiente vuelve a ser la atmosfrica,el manmetro marca cero. Despus se cierra la llave, esperamos un poco detiempo hasta que se caliente el aire del recipiente y medimos el desnivel entre lasdos ramas del manmetroh2=20.5.

Aplicamos la frmula

El valor del ndice adiabtico del aire es 1.4


En la madrugada del 16 de Junio de 1945 tuvo lugar en el desierto deAlamogordo (Nuevo Mxico) la primera explosin nuclear de la historia.Mientras sus colegas del puesto de observacin contemplaban el espectculo, elfsico Enrico Fermi dej caer en el aire unos papelillos para medir sudesplazamiento al llegar la onda expansiva.

Vamos a ver como a partir de la medida desplazamiento de un papelito, se puedemedir la energa de la explosin de la bomba atmica.

La explosin de una bomba atmica es un fenmeno fsico muy complejo, en elque interviene la liberacin de una enorme cantidad de energa en forma de calory radiacin de todas las longitudes de onda. Como consecuencia, se producenprocesos convectivos en el aire y la materia slida (polvo) del suelo se levanta enla vecindad de la explosin.

En esta pgina, se ha elaborando un modelo simple de la explosin atmica queconsta de las siguientes etapas:

1. En alguna decena de milisegundos una parte (el 50% aproximadamente)del total de 20 kilotones de energa liberada por fisin se deposita porradiacin electromagntica en la masa de aire contenida en unvolumen V0que es un semiesfera de radio 200 m volvindoseincandescente (la famosa bola de fuego, de color rojo). El rapidsimocalentamiento tiene lugar prcticamente a volumen constante ysupondremos que de manera uniforme en todo su volumen.

Podemos calcular la presin p1 y la temperatura T1 de esta bola de fuego,conocida la presin atmosfrica p0, la temperatura ambiente antes de laexplosin T0, y el volumen de aire implicado V0. Supondremos que el aire,incluso en estas condiciones extremas se comporta como un gas ideal.

2. Una vez formada la bola se expande adiabticamente en menos de unsegundo hasta que su presin se iguala a la presin atmosfrica, pf=1 atm.Calcularemos empleando esta transformacin, el volumen final Vf y latemperatura final Tf . Calculado Vfdeterminaremos el radio final rf de la


semiesfera (en color rosa).

3. Esta rapidsima expansin provoca un desplazamiento del aire (ondaexpansiva en color azul) situado a distancias mayores que se propaga a lavelocidad del sonido vs.

A partir de este modelo simplificado, se puede calcular el valor de laanchura de la onda expansiva d y por tanto, del desplazamiento de lospapelitos en el punto de observacin situado a una distancia D del centrode la explosinMidiendo esta distancia d, Fermi hizo el calculo inverso y dedujo lapotencia de la explosin con notable aproximacin respecto de laobtenida a partir de las mediciones efectuadas por una compleja red deinstrumentos dispuesta en torno al lugar de la explosin.

4. El resto del fenmeno es bien conocido: por su baja densidad la bolaasciende arrastrando una columna de polvo y materiales vaporizadosaltamente radioactivos mientras se va mezclando turbulentamente con elaire circundante. Al llegar a la tropopausa se ensancha formando elcaracterstico y terrible hongo, que luego deja su maligna siembraradiactiva en los territorios a sotavento de la explosin.

Datos necesarios para resolver el problema

1 kilotn =4.181012 J Densidad del aire a presin atmosfrica y temperatura ambiente 1.0

kg/m3 Peso molecular del aire 28.9 g/mol Temperatura ambiente antes de la explosin 17 C Calor especfico a volumen constante de los gases diatmicos cv=5R/2 Constante R de los gases perfectos R=0.082 atml/(Kmol)=8.315 J/(K mol) Velocidad del sonido vs=330 m/s


Fundamentos fsicos

Calor recibido o perdido por un cuerpo: Q=mc(Tf-Ti).Dondem es la masa (o el nmero de moles), c el calorespecfico, Tf es la temperatura final, y Ti la inicial

Transformacin adiabtica: pV =cte

Primera etapa. Calentamiento a volumen constante

El 50% de los 20 kilotones es la energa que calienta al aire contenido en lasemiesfera de radio r=200 m

Q=0.50204.181012=4.181013 J

El volumen de dicha semiesfera es

Masa de aire contenida en dicha semiesfera

En un proceso a volumen constante Q=mcv(T1-T0)

Si la temperatura ambiente antes de la explosin era de T0=17 C=290 K, despusde la explosin es

De la ecuacin de los gases ideales, obtenemos la presin final

p1V0=nRT1

El nmero de moles n es el cociente entre la masa y el peso molecular n=m/28.9,tomamos R=0.082 para que la presin p se mida en atm.


p1=10.7 atm.

Segunda etapa. Expansin adiabtica

donde es el ndice adiabtico de un gas ideal.

Para un gas ideal diatmico =7/5.De la ecuacin de la transformacin adiabtica despejamos el volumen final Vf.Vf=9.091010 litros

Este volumen corresponde a una semiesfera de radio

rf=351.4 m.

La temperatura final del aire despus de la expansin adiabtica, se obtieneaplicando la ecuacin de los gases idealesp0Vf=nRTf

Tf=1911 K

Tercera etapa. Propagacin de la onda de choque

La capa semiesfrica Vf-V0 origina una ondade choque que se propagar radialmente ala velocidad del sonido. A medida queaumenta el radio r, la capa ser cada vezms estrecha.

A una distancia r del centro de laexplosin, la anchura d de la capa ser.

Por ejemplo, si r=10 km, el valor de d serd=0.12 m


El tiempo t que tarda en llegar los efectos de la explosin al observadorser t=r/vs, donde vs es la velocidad del sonido. Aproximadamente, t=30.3 s.


Sea un recipiente cilndrico, situado en el vaco, con un mbolo que se puededesplazar sin rozamiento en su interior. Se fija el mbolo y el recinto se llena degas a alta presin. Se libera el mbolo, el gas se expansiona y el recipiente seempieza a mover.

En esta pgina, vamos a analizar un problema que comprende varias partes de laFsica: la conservacin del momento lineal, el balance energtico, unatransformacin termodinmica, y nociones bsicas de fsica estadstica.Relacionaremos la temperatura del gas con la energa cintica media referida alc.m. de gas que se mueve.

Mecanismo bsico

En primer lugar, vamos a estudiar el mecanismo bsico. Un conjuntode N partculas que simulan un gas ideal bidimensional, est encerrado en unrecipiente.

El usuario define el gas introduciendo los valores de

la masa de las partculas, la velocidad media (proporcional a la raz cuadrada de la temperatura) el nmero total N de partculas.

Cuanto mayor es el nmero de partculas menor es el grado de fluctuacin,aunque al programa interactivo le lleva ms tiempo calcular las posiciones yvelocidades de cada una de las partculas.

Cuando el recipiente est cerrado, las partculas chocan elsticamente con lascuatro paredes del recipiente. Si despreciamos las fluctuaciones, el recipiente nose mueve a consecuencia de los choques ya que la fuerza media sobre las paredesopuestas tiene el mismo mdulo, la misma direccin y sentido contrario.

Choques entre las molculas del gas y las paredes del recipiente.


Si eliminamos una de las paredes delrecipiente. Los choques de las partculascon la pared opuesta hace que elrecipiente se mueva. Sin embargo, elcentro de masas del conjunto formadopor el recipiente y el gas no cambia, porser un sistema aislado inicialmente enreposo.

Podemos comprobar, que aproximadamente, un cuarto de las partculas se mueveen la direccin del eje X hacia la derecha y estas son las partculas queproporcionan momento lineal al recipiente.

Sea mp la masa de las partculas y up su velocidad antes del choque, y sea mc lamasa del recipiente y uc su velocidad antes del choque. Las ecuaciones delconservacin del momento lineal y de la energa cintica antes y despusdel choque elstico nos proporcionan dos ecuaciones de las cuales despejamoslas velocidades vp y vc de de la partcula y del cilindro despus del choque.

Para simular las colisiones de las molculas de un gas con las paredes delrecipiente, se utiliza un modelo de gas ideal bidimensional. Dada la velocidadmedia de las molculas del gas, el programa interactivo emplea los mtodos deMontecarlo, para asignar un valor al mdulo de la velocidad a cada una delas N molculas de acuerdo con la frmula de la distribucin de velocidades. Ladireccin de la velocidad se asigna mediante un nmero aleatorio uniformementedistribuido en el intervalo 0- 2 .


Actividades

Se introduce

La masa del recipiente, mc en el control de edicin tituladoMasarecipiente

La masa de cada partcula del gas, mp en el control de edicintituladoMasa partcula

La velocidad media de las partculas del gas, , en el control de edicintitulado Velocidad media p.

El nmero de partculas que componen el gas, N, en el control de edicintitulado Nmero partculas

Se pulsa en el botn titulado Empieza.

Desaparece la tapa izquierda del recipiente. Se observa el movimiento de laspartculas, su colisin con la pared derecha del recipiente y el movimiento delrecipiente hacia la derecha con velocidad creciente.


El centro de masas del sistema formado por el gas y por el recipiente no cambia(sistema aislado).

Por la conservacin del momento lineal a lo largo del eje X tendremosmg+mcvc=0

donde mg=Nmp es la masa del gas, su velocidad media a lo largo del eje X,(a lo largo del eje Y su velocidad media es cero),mc es la masa del recipientey vc la velocidad del recipiente en un instante dado.

Si la masa del gas mg es igual a la masa del recipiente mc los centros demasas son equidistantes con la posicin del c.m. del sistema aislado. Si sondistintos las distancias son inversamente proporcionales a las masas

mgxg+mcxc=0

Documents

A. Análisis Elemental de Procesos