Syllabus Fisica III

F A C U L T A D D E I N G E N I E R I A

Facultad de Ingeniería

Ingeniería en Gas y Petróleos

TERCER SEMESTRE

SYLLABUS DE LA ASIGNATURAFISICA III

Gestión Académica I/2013

U N I V E R S I D A D D E A Q U I N O B O L I V I A

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UDABOLUNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA

Acreditada como PLENA mediante R. M. 288/01

VISION DE LA UNIVERSIDAD

Ser la Universidad líder en calidad educativa.

MISION DE LA UNIVERSIDAD

Desarrollar la Educación Superior Universitaria con calidad y

competitividad al servicio de la sociedad.

Estimado (a) alumno (a):La Universidad de Aquino Bolivia te brinda a través del Syllabus, la oportunidad de contar con una compilación de materiales que

te serán de mucha utilidad en el desarrollo de la asignatura. Consérvalo y aplícalo según las instrucciones del docente.


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SYLLABUS

Asignatura: Física III

Código: FIS – 103

Requisito: FIS - 102

Carga Horaria:100 horas Teórico Prácticas

Créditos: 5

I. OBJETIVOS GENERALES DE LA ASIGNATURA.

El estudiante a la conclusión del curso estará capacitado para: Definir, comprender y explicar los conceptos, leyes y principios de la Mecánica de

Fluidos, Termodinámica, Movimientos Oscilatorio, empleando elementos del Cálculo diferencial e integral.

Aplicar los conceptos, leyes y principios a la resolución de problemas sobre los Fluidos, Temperatura, Calor, maquinas de combustión y Ondas Mecánicas.

Comprobar la veracidad de las leyes y principios abordados vía experimentación. Validar las leyes y principios abordados a través de la ejemplificación de

aplicaciones reales y concisas, las cuales sean de fácil prácticas para el desarrollo de cada universitario.

II. PROGRAMA ANALÍTICO DE LA ASIGNATURA.

UNIDAD I: TERMOMETRIA Y CALORIMETRIA

TEMA 1. TERMOMETRIA

1.1. Temperatura.1.2. Equilibrio térmico: La ley cero 1.3. Termómetros y escalas de temperatura1.4. Expansión térmica

TEMA 2. CALORIMETRIA

2.1. Cantidad de calor 2.2. Calorimetría y cambios de fase 2.3. Equivalente mecánico del calor 2.4. Mecanismos de transferencia de calor


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UNIDAD II: PROPIEDADES TERMICAS DE LA MATERIA

TEMA 3 : GENERALIDADES

3.1. Ecuaciones de estado3.2. Propiedades moleculares de la materia 3.3. Modelo cinético- molecular de un gas ideal3.4. Capacidad calorífica gases y sólidos.3.5. Velocidades moleculares.3.6. Fases de la materia.

UNIDAD II: CONCEPTOS BASICOS DE TERMODINAMICA

TEMA 4. SISTEMAS TERMODINÁMICOS

4.1. Sistema y medio 4.2. Generalidades sobre sistemas 4.3. Convención de signos para el calor y el trabajo4.4. Trabajo realizado al cambiar el volumen4.5. Caminos entre los estado termodinámicos

TEMA 5. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA5.1. Energía interna y la primera ley de la termodinámica 5.2. Clases de procesos termodinámicos 5.3. Energía interna de un gas ideal 5.4. Capacidad calorífica de un gas ideal 5.5. Procesos adiabáticos para un gas ideal.

TEMA 6. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

6.1. Pocesos termodinámicos: reversibles e irreversibles 6.2. Maquinas de calor6.3. Motores de combustión interna 6.4. Refrigeradores 6.5. La segunda ley de la termodinámica6.6. El ciclo de Carnot 6.7. Entropia 6.8. Interpretación microscópica de la entropía 6.9. El tercer principio de la Termodinámica.

UNIDAD III: DESCRIPCIÓN ESTADÍSTICA

TEMA 7. SISTEMAS DE PARTICULAS.

7.1. El estado de equilibrio termodinámico


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7.2. Ley de distribución de Maxwell-Boltzmann 7.3. Aplicación al gas ideal.

TEMA 8. MECANICA ESTADÍSTICA

8.1. Ley de distribución de Fermi- Dirac Concepto.8.2. Ley de distribución de Bose- Einstein8.3. Gas ideal en la estadística cuantica8.4. Comparación de las tres estadísticas

III. Actividades propuestas para las Brigadas UDABOL

De acuerdo a las características de la carrera y de la asignatura las actividades a realizar, por los diferentes grupos de estudiantes se realizaran solo en las brigadas generales:

Actividades propuestas:

1. Participación activa en las encuestas de las brigadas definidas por la universidad.2. Dar apoyo en las tomas de muestras y recolección de datos para los proyectos de

semestres superiores. 3. Realizar trabajos de investigación de recolección de datos relacionados a la materia como

enseñanza trasversal.

IV. Evaluación de la asignatura:

La evaluación de esta asignatura se realizará de la siguiente manera:1- Evaluación procesual que incluirá:

a) Preguntas orales evaluativas realizadas en las clases teóricasb) Preguntas escritas evaluativas en las prácticas referentes al tema tratado en la clase teóricac) Evaluación periódica del avance del trabajo de investigación orientado al grupod) Elaboración presentación y discusión de los Work paperse) Respuesta escrita de los dif´s

2- Exámenes parciales y un examen final

V. BIBLIOGRAFÍA.

Serway, Raymond A. FISICA: tomo I. Ed. McGraw-Hill. México, D.F. 1997. Resnick-Halliday- Krane. FISICA: tomo I. Ed. Compañía Editorial Continental S.A. 1998. Sears-Zemansky-Young. FISICA UNIVERSITARIA: tomo I. Ed. Addison-Wesley. 1998. Fishbane Paul M. y otros. FISICA para ciencias e ingeniería, volumen I y II. Ed. Printice-Hall

Hispanoamericana, S.A. México 1994.

VI. BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA

Continental, México 1981 Serway, Fisica. Editorial Mc Graw Hill 1992


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VII. CONTROL DE EVALUACIONES

1° evaluación parcialFechaNota

2° evaluación parcialFechaNota

Examen finalFechaNota

VII APUNTES


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VIII. PLAN CALENDARIO

SEMANA ACTIVIDADES ACADÉMICAS OBSERVACIONES

1ra.

Introducción a la Hidrostática.Densidad y presión de fluidosPresión hidrostáticaMedida de la presión.

Tema 1

2da.

Principio de la Hidrostática. Principio de Pascal y sus aplicaciones.Flotabilidad y Principio de Arquímides.Centros de masa y y centros de flotación.Tensión superficial.

Tema.1

3ra.Hidrodinámica.Flujo de fluidos: Flujo ideal.Ecuación de continuidad.

Tema 2

4ta.

Ecuación de Bernoulli.Aplicaciones de la Ecuación de BernoulliViscosidad. Ejercicios de aplicación Tema 2

5ta. Primer Parcial Primera Evaluación

6ta.

TermodinámicaTemperatura y equilibrio térmico.Termómetros y escalas de temperatura.Dilatación térmica de sólidos y líquidos.

Tema 3

7ma.

Calor y su Transferencia.Energía térmica.Calor específico. Método de mezclas. Tema 4:

8va.

Cambios de fase.Transferencia del calor: conducción, convección y radiación

Tema 4

9na.

Movimiento OndulatorioPropiedades elásticas de los sólidos y fluidosOndas mecánicas: tipos de ondasOndas viajeras Tema 5:

10ma.

Velocidad de propagación de ondasPotencia e intensidad en el movimiento ondulatorioInterferencia de ondas: ondas estacionariasResonanciaOndas sonorasEfecto Doppler. Tema 5:


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11ra. Segundo ParcialSegunda Evaluación

12da.

Principios de la TermodinámicaVariables termodinámicas y la ecuación de estado de un gas ideal. Tema 6

13ra.

Trabajo efectuado por sistemas térmicos.La primera Ley de la Termodinámica. Tema 6

14ta.

Máquinas térmicas y la Segunda Ley de la TermodinámicaProcesos reversibles e irreversibles. Tema 7

15ta.La máquina de Carnot.El motor de Gasolina, bombas de calor y refrigeradores Tema 7

16ma. Evaluación finalPresentación de Notas

17va. Evaluación finalPresentación de Notas

18na. Evaluación del segundo turnoPresentación de Notas


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PROGRAMA DE CONTROL DE CALIDAD

WORK PAPER # 1

UNIDAD O TEMA: Termometría y Calorimetría

TITULO: Temperatura y Calor

FECHA DE ENTREGA:

1. Concepto de temperatura

La temperatura es la sensación física que nos produce un cuerpo cuando entramos en contacto con él. Observamos cambios en los cuerpos cuando cambian su temperatura, por ejemplo, la dilatación que experimenta un cuerpo cuando incrementa su temperatura. Esta propiedad se usa para medir la temperatura de un sistema. Pensemos en los termómetros que consisten en un pequeño depósito de mercurio que asciende por un capilar a medida que se incrementa la temperatura.

2. Concepto de calor

Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos están a la misma temperatura. Un fenómeno físico análogo son los vasos comunicantes

Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B, TA>TB.

Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura TB>TA, el baño A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan. Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está próxima a la del sistema grande.

Decimos que una cantidad de calor se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura.


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La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperatura ΔT. La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorífica del sistema.

Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que ambas se igualan

Si TA>TB

El cuerpo A cede calor: entonces QA<0 El cuerpo B recibe calor: QB=CB·(T-TB), entonces QB<0

Como QA+QB=0

La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada

La capacidad calorífica de la unidad de masa se denomina calor específico c. C=mc

La fórmula para la transferencia de calor entre los cuerpos se expresa en términos de la masa m del calor específico c y del cambio de temperatura.

Q=m·c·(Tf-Ti)

Donde Tf es la temperatura final y Ti es la temperatura inicial.

El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una sustancia para que eleve en un grado centígrado su temperatura.

Joule demostró la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por razones históricas la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, el calor se suele expresar en calorías.

El calor específico del agua es c=1 cal/(g ºC). Hay que suministrar una caloría para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centígrado.

3. Fundamentos físicos

Cuando varios cuerpos a diferentes temperaturas se encuentran en un recinto adiabático se producen intercambios caloríficos entre ellos alcanzándose la temperatura de equilibrio al cabo de cierto tiempo. Cuando se ha alcanzado este equilibrio se debe cumplir que la suma de las cantidades de calor intercambiadas es cero.

Se define calor específico c como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua c vale 1 cal/(g ºC) ó 4186 J(kg ºK).


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La unidad de calor específico que más se usa es cal/(g ºC) sin embargo, debemos de ir acostumbrándonos a usar el Sistema Internacional de Unidades de Medida, y expresar el calor específico en J/(kg ºK). El factor de conversión es 4186.

Sustancia Calor específico (J/kg·K)

Acero 460

Aluminio 880

Cobre 390

Estaño 230

Hierro 450

Mercurio 138

Oro 130

Plata 235

Plomo 130

Sodio 1300

La cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente fórmula

Q=m·c·(Tf-Ti)

Donde m es la masa, c es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final

Si Ti>Tf el cuerpo cede calor Q<0 Si Ti<Tf el cuerpo recibe calor Q>0

La experiencia se realiza en un calorímetro consistente en un vaso (Dewar) o en su defecto, convenientemente aislado. El vaso se cierra con una tapa hecha de material aislante, con dos orificios por los que salen un termómetro y el agitador.

Supongamos que el calorímetro está a la temperatura inicial T0, y sea

mv es la masa del vaso del calorímetro y cv su calor específico. mt la masa de la parte sumergida del termómetro y ct su calor específico ma la masa de la parte sumergida del agitador y ca su calor específico M la masa de agua que contiene el vaso, su calor específico es la unidad

Por otra parte:

Sean m y c las masa y el calor específico del cuerpo problema a la temperatura inicial T.

En el equilibrio a la temperatura Te se tendrá la siguiente relación.

(M+mv·cv+mt·ct+ma·ca)(Te-T0)+m·c(Te-T)=0


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La capacidad calorífica del calorímetro es

k=mv·cv+mt·ct+ma·ca

se le denomina equivalente en agua del calorímetro, y se expresa en gramos de agua.

Por tanto, representa la cantidad de agua que tiene la misma capacidad calorífica que el vaso del calorímetro, parte sumergida del agitador y del termómetro, y es una constante para cada calorímetro.

El calor específico desconocido del será por tanto

En esta fórmula tenemos una cantidad desconocida k, que debemos determinar experimentalmente.

4. Determinación del equivalente en agua del calorímetro

Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita, y después de un poco de tiempo, se mide su temperatura T0. A continuación se vierten m gramos de agua a la temperatura T. Se agita la mezcla y después de un poco de tiempo, se mide la temperatura de equilibrio Te.

Como el calorímetro es un sistema adibáticamente asilado tendremos que

(M+k)(Te-T0)+m(Te-T)=0


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5. Determinación del calor específico del sólido

Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita, y después de un poco de tiempo, se mide su temperatura T0. A continuación, se deposita la pieza de sólido rápidamente en el calorímetro. Se agita, y después de un cierto tiempo se alcanza la temperatura de equilibrio Te.

Se pesa con una balanza una pieza de material sólido de calor específico c desconocido, resultando m su masa. Se pone la pieza en agua casi hirviendo a la temperatura T.

Se apuntan los datos y se despeja c de la fórmula que hemos deducido en el primer apartado.

La experiencia real se debe hacer con mucho cuidado, para que la medida del calor específico sea suficientemente precisa. Tenemos que tener en cuenta el intercambio de calor entre el calorímetro y la atmósfera que viene expresado por la denominada ley del enfriamiento de Newton.

CUESTIONARIO WORK PAPER Nª 1

1. Discutir las siguientes situaciones:A que se refiere la expresión que indica que un cuerpo esta “mas frío” que otro?Como se puede “medir” si un objeto esta caliente o frío?Que es calor? Que es temperatura?

2. Analizar críticamente las siguientes expresiones, seguidas de cuatro opciones de las cuales una es correcta:Se dice que dos cuerpos están a la misma temperatura ,cuandoa) Ambos tienen la misma cantidad de calor b) La energía total de las moléculas de uno es igual a la energía total de las moléculas del otro c) Ambos ganan calor en la misma proporción d) Al ponerse en contacto no se transfiere calor.

3. Cuando se mide la temperatura de una persona que tiene fiebre es conveniente esperar algunos minutos para que: a) El calor que absorbe el termómetro sea igual al calor que absorbe el enfermo b) El calor que cede el termómetro sea igual al que cede el enfermoc) El calor que absorbe el termómetro sea mayor al que cede el enfermod) El termómetro llegue al equilibrio térmico con el cuerpo del enfermo


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4. Analizar: Se colocan dos recipientes A y B idénticos sobre dos hornillas (proporcionándoles la misma cantidad de calor). El recipiente A contiene 1 litro de agua y el recipiente B contiene 5 litros de agua. ¿Cómo serán las temperaturas del agua de cada recipiente al cabo de cierto tiempo?

5. Analizar: El calor que se necesita entregarle a 2 litros de agua par que eleve su temperatura desde 20 oC a 60 oC es : a) 80 cal b) 2000 cal c) 80.000 cal d) 120.000 cal

6. El calor específico del agua es 1cal/g oC y del cobre es de 0,09 cal /g oC . De lo anterior se deduce que si tenemos 1 kg de agua y 1 kg de cobre , resulta:a) Mas fácil elevar o disminuir la temperatura del agua que del cobreb) Mas fácil elevar o disminuir la temperatura del cobre que la del agua.c) Que como son masas iguales, se necesita la misma cantidad de calor para cambiar la temperatura.d) Mas fácil elevar las temperaturas del agua, pero mas difícil bajarla que el cobre.

7. 50 g de plata se enfrían hasta 50 oC, perdiendo 500cal. ¿ A que temperatura estaba la plata?

8.A una varilla d hierro de 1m de longitud y 1 cm2 de sección en condiciones normales se le entregan 10 kcal. ¿Cuánto aumenta su longitud? (densidad del hierro 7,85 g/ cm3)

9. Se desea disminuir la temperatura de 2kg de hierro de 250 oC a 25 oC ¿Qué más de agua inicialmente a 20 oC se necesita para este proceso?

10. Se dejan caer dos bloques, uno de aluminio y otro de cobre, que tienen la misma masa y la misma temperatura (0oC) en un calorímetro de capacidad calorífica despreciable que contiene agua caliente. El calor específico del aluminio es casi el doble que el calor específico del cobre. Decidir si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos, justificar la respuesta:Cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio:a) El cobre se encuentra a mayor temperatura que el aluminio b) El aluminio se encuentra a mayor temperatura que el cobrec)Los dos se encuentran a la misma temperaturad) El cobre ha absorbido mas energía que el aluminio.e) El aluminio ha absorbido mas energía que el cobref) Los dos han absorbido la misma cantidad de energía

11. Se desea conocer el calor especifico de un cierto material, para ello se clienta una mas del mismo a 100,0 oC y se lo coloca en un calorímetro de latón de

que contiene de agua inicialmente a 20,0 oC. La temperatura de equilibrio final es de 21,3 oC. El error con que se midieron las temperaturas es de 0,1 oC. Determinar el calor específico del material con su error.

12. Un litro de agua está a 20oC se conecta un calentador de inmersión de 500 W durante 420 s. ¿Cuál es el aumento de temperatura?


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WORK PAPER # 2


TITULO: ESCALAS DE TEMPERATURA

FECHA DE ENTREGA:

1. Medición de la temperatura

Medir la temperatura es relativamente un concepto nuevo. Los primeros científicos entendían la diferencia entre 'frío' y 'caliente', pero no tenían un método para cuantificar los diferentes grados de calor hasta el siglo XVII. En 1597, el astrónomo Italiano Galileo Galilei inventó un simple termoscopio de agua, un artificio que consiste en un largo tubo de cristal invertido en una jarra sellada que contenía agua y aire. Cuando la jarra era calentada, el aire se expandía y empujaba hacia arriba el líquido en el tubo. El nivel del agua en el tubo podía ser comparado a diferentes temperaturas para mostrar los cambios relativos cuando se añadía o se retiraba calor, pero el termoscopio no permitía cuantificar la temperatura fácilmente. Varios años después, el físico e inventor Italiano Santorio mejoró el diseño de Galileo añadiendo una escala numérica al termoscopio. Estos primeros termoscopios dieron paso al desarrollo de los termómetros llenos de líquido comúnmente usados hoy en día. Los termómetros modernos funcionan sobre la base de la tendencia de algunos líquidos a expandirse cuándo se calientan. Cuando el fluido dentro del termómetro absorbe calor, se expande, ocupando un volumen mayor y forzando la subida del nivel del fluido dentro del tubo. Cuando el fluido se enfría, se contrae, ocupando un volumen menor y causando la caída del nivel del fluido. La temperatura es la medida de la cantidad de energía de un objeto. Ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisión. Hay tres escalas comúnmente usadas actualmente para medir la temperatura: la escala Fahrenheit (°F), la escala Celsius (°C), y la escala Kelvin (K). Cada una de estas escalas usa una serie de divisiones basadas en diferentes puntos de referencia tal como se describe enseguida.

2. Fahrenheit

Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) era un físico Alemán que inventó el termómetro de alcohol en 1709 y el termómetro de mercurio en 1714. La escala de temperatura Fahrenheit fue desarrollada en 1724. Fahrenheit originalmente estableció una escala en la que la temperatura de una mezcla de hielo-agua-sal estaba fijada a 0 grados. La temperatura de una mezcla de hielo-agua (sin sal ) estaba fijada a 30 grados y la temperatura del cuerpo humano a 96 grados. Fahrenheit midió la temperatura del agua hirviendo a 32°F, haciendo que el intervalo entre el punto de ebullición y congelamiento del agua fuera de 180 grados (y haciendo que la temperatura del cuerpo fuese 98.6°F). La escala Fahrenheit es comúnmente usada en Estados Unidos.


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3. Celsius

Anders Celsius (1701-1744) fue un astrónomo suizo que inventó la escala centígrada en 1742. Celsius escogió el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua como sus dos temperaturas de referencia para dar con un método simple y consistente de un termómetro de calibración. Celsius dividió la diferencia en la temperatura entre el punto de congelamiento y de ebullición del agua en 100 grados (de ahí el nombre centi, que quiere decir cien, y grado). Después de la muerte de Celsius, la escala centígrada fue llamada escala Celsius y el punto de congelamiento del agua se fijo en 0°C y el punto de ebullición del agua en 100°C. La escala Celsius toma precedencia sobre la escala Fahrenheit en la investigación científica porque es más compatible con el formato basado en los decimales del Sistema Internacional (SI ) del sistema métrico . Además, la escala de temperatura Celsius es comúnmente usada en la mayoría de países en el mundo, aparte de Estados Unidos.

4. Kelvin

La tercera escala para medir la temperatura es comúnmente llamada Kelvin (K). Lord William Kelvin (1824-1907) fue un físico Escosés que inventó la escala en 1854. La escala Kelvin está basada en la idea del cero absoluto, la temperatura teóretica en la que todo el movimiento molecular se para y no se puede detectar ninguna energía. En teoría, el punto cero de la escala Kelvin es la temperatura más baja que existe en el universo: -273.15ºC. La escala Kelvin usa la misma unidad de división que la escala Celsius. Sin embargo vuelve a colocar el punto zero en el cero absoluto: -273.15ºC. Es así que el punto de congelamiento del agua es 273.15 Kelvins (las graduaciones son llamadas Kelvins en la escala y no usa ni el término grado ni el símbolo º) y 373.15 K es el punto de ebullición del agua. La escala Kelvin, como la escala Celsius, es una unidad de medida estándar del SI , usada comúnmente en las medidas científicas. Puesto que no hay números negativos en la escala Kelvin (porque teóricamente nada puede ser más frío que el cero absoluto), es muy conveniente usar la escala Kelvin en la investigación científica cuando se mide temperatura extremadamente baja.


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Punto de ebullición del agua

Punto de fusión del hielo

Cero absoluto

Temperatura del cuerpo humano

Temperatura de una habitación


Aunque parezca confuso, cada una de las tres escalas de temperatura discutidas nos permite medir la energía del calor de una manera ligeramente diferente. Una medida de la temperatura en cualquiera de estas escalas puede ser fácilmente convertida a otra escala usando esta simple fórmula.

De hacia Fahrenheit hacia Celsius hacia Kelvin

ºF F (ºF - 32)/1.8 (ºF-32)*5/9+273.15

ºC (ºC * 1.8) + 32 C ºC + 273.15

K (K-273.15)*9/5+32 K - 273.15 K


1. Dadas las siguientes temperaturas: 1500 oC,120 oC ,55 oC ,37 oC , 19 oC , 0 oC,-12 oC,-50 oC. Analizar sus valores e indicar cual puede corresponder a lo siguiente:

a) Punto de fusión del hierrob) Temperatura de una habitación confortable c) Punto de fusión del hielo a presión normal d) Temperatura normal en la Antártida e) Temperatura normal del cuerpo humano

2. Realizar las siguientes conversiones:a) 10 oF a oC b) 40 a oC oF , c) -30 oC a of

3. Un termómetro centígrado mal calibrado marca 8 en OC. El punto de fusión del hielo y 99 oC en el punto de ebullición del agua, en un lugar en que la presión atmosférica es de 760 Hg. Qué expresión debe emplearse par determinar la temperatura real? Si el termómetro marca 50 Cu oC ¿Cuál es la verdadera temperatura?A qué temperatura es correcta la lectura del termómetro?Que tipo de error es éste?


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WORK PAPER # 3

UNIDAD O TEMA: Propiedades térmicas de la materia

TITULO: Calor latente

FECHA DE ENTREGA:

Cambios de estado

Normalmente, una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a

Q=mL

Donde L se denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase.

Por ejemplo, para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334·103 J/kg. Para que cambie de líquido a vapor a 100 ºC se precisan 2260·103 J/kg.

En la siguiente tabla, se proporcionan los datos referentes a los cambios de estado de algunas sustancias.

Sustancia T fusión ºC Lf ·103 (J/kg) T ebullición ºC Lv ·103 (J/kg)Hielo (agua) 0 334 100 2260Alcohol etílico -114 105 78.3 846Acetona -94.3 96 56.2 524Benceno 5.5 127 80.2 396Aluminio 658.7 322-394 2300 9220Estaño 231.9 59 2270 3020Hierro 1530 293 3050 6300Cobre 1083 214 2360 5410Mercurio -38.9 11.73 356.7 285Plomo 327.3 22.5 1750 880Potasio 64 60.8 760 2080Sodio 98 113 883 4220

Los cambios de estado se pueden explicar de forma cualitativa del siguiente modo:

En un sólido los átomos y moléculas ocupan las posiciones fijas de los nudos de una red cristalina. Un sólido tiene en ausencia de fuerzas externas un volumen fijo y una forma determinada.


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Los átomos y moléculas vibran, alrededor de sus posiciones de equilibrio estable, cada vez con mayor amplitud a medida que se incrementa la temperatura. Llega un momento en el que vencen a las fuerzas de atracción que mantienen a los átomos en sus posiciones fijas y el sólido se convierte en líquido. Los átomos y moléculas siguen unidos por las fuerzas de atracción, pero pueden moverse unos respecto de los otros, lo que hace que los líquidos se adapten al recipiente que los contiene pero mantengan un volumen constante.

Cuando se incrementa aún más la temperatura, se vencen las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos y moléculas en el líquido. Las moléculas están alejadas unas de las otras, se pueden mover por todo el recipiente que las contiene y solamente interaccionan cuando están muy próximas entre sí, en el momento en el que chocan. Un gas adopta la forma del recipiente que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible.

Un ejemplo clásico en el que se usan los conceptos de calor específico y calor latente es el siguiente:

Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a 100ºC. Los datos son los siguientes:

1. Calor específico del hielo ch=2090 J/(kg K) 2. Calor de fusión del hielo Lf=334·103 J/kg 3. Calor específico del agua c=4180 J/(kg K) 4. Calor de vaporización del agua Lv=2260·103 J/kg

Etapas:

1. Se eleva la temperatura de 1g de hielo de -20ºC a 0ºC

Q1=0.001·2090·(0-(-20))=41.8 J

2. Se funde el hielo

Q2=0.001·334·103=334 J

3. Se eleva la temperatura del agua de 0º C a 100 ºC

Q3=0.001·4180·(100-0)=418 J

4. Se convierte 1 g de agua a 100ºC en vapor a la misma temperatura

Q4=0.001·2260·103=2260 J

El calor total Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3053.8 J.

En la figura, se muestra cómo se va incrementando la temperatura a medida que se aporta calor al


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sistema. La vaporización del agua requiere de gran cantidad de calor como podemos observar en la gráfica (no está hecha a escala) y en los cálculos realizados en el ejemplo.

Si disponemos de una fuente de calor que suministra una energía a razón constante de q J/s podemos calcular la duración de cada una de las etapas

Medida del calor de fusión

Para determinar el calor de fusión del hielo se pueden seguir dos procedimientos:

1. Se mide la energía (potencia por tiempo) suministrada por un calentador eléctrico a una masa m de hielo a 0º C que se convierte en agua a la misma temperatura.

2. Se introduce una masa m de hielo a un calorímetro con agua a una temperatura T ligeramente por encima de la temperatura ambiente Ta y se agita la mezcla hasta que el hielo se funde completamente. Se elige la masa m del hielo de modo que la temperatura Te de equilibrio esté ligeramente por debajo de la temperatura ambiente, es decir, de modo que T-Ta≈T-Te.

De este modo, el calor cedido al ambiente en la primera etapa de la experiencia se compensa con el calor ganado en la segunda etapa.

En la experiencia que se describe a continuación, se emplea el procedimiento de las mezclas pero no se tiene en cuenta las pérdidas o ganancias de calor entre el calorímetro y el medio ambiente.

Una masa ma de agua a la temperatura inicial Ta se mezcla con una masa mh de hielo a 0º C en un calorímetro. La mezcla de agua y hielo se agita hasta que se alcanza una temperatura final de equilibrio Te.

Pueden ocurrir dos casos

1. Se funde una parte m de la masa inicial mh de hielo, quedando una mezcla formada por hielo (mh-m) y agua (ma+m) a la temperatura final de Te=0ºC.

El calor absorbido por el hielo es Q1=m·Lf El calor cedido por el agua es Q2=ma·c·(0-Ta)

Si el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni gana calor, se cumplirá que

Q1+Q2=0

(1)


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2. Si se funde todo el hielo, el estado final es una masa (mh+ma) de agua a la temperatura final Te>0.

Ahora tenemos que tener en cuenta que la masa mh de hielo se convierte en agua y a continuación eleva su temperatura de 0ºC a Te. Por otra parte, el calorímetro (su masa equivalente en agua k) eleva su temperatura de 0º C a Te.

El calor absorbido por el hielo es Q1=mh·Lf+ mh·c·(Te-0) Calor absorbido por el calorímetro Q2= k·c·(Te-0) El calor cedido por el agua es Q3=ma·c·(Te-Ta)

Si el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni gana calor, se cumplirá que

Q1+Q2+ Q3=0

(2)


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Calor latente

1. Para enfriar una bebida se colocan cubito de hielo en su interior. Explicar ¿Por qué se enfría la bebida? ¿Qué ocurre con el hielo?

2. Analizar y explicar: Por qué se empañan los vidrios en los días fríos? Por qué se acostumbra a mojar el dedo para probar si una plancha está caliente?

3. Cuando un líquido se evapora, su temperatura: Disminuye porque las moléculas que la abandonan son las que tienen más energía. Disminuye porque el vapor que sale posee mayor temperatura. Aumenta porque se necesita más calor para evaporar. Queda exactamente igual

4. Cuanta energía se requiere para fundir totalmente 25 g de zinc inicialmente a 20 oC.

5. Una caldera eléctrica tiene una potencia de 3kw. Queda encendida 2 min. Después que el agua que está en su interior comienza a hervir ¿ cuál es la masa de agua vaporizada en ese intervalo?

6. La evaporación de la transpiración es un importante mecanismo par el control de la temperatura en los animales de sangre caliente.¿Qué masa de agua debe evaporarse de la superficie del cuerpo de una persona de 80 Kg. para enfriarlo 1oC. El calor específico del cuerpo humano es aproximadamente 1 cal/goC y el calor latente del agua a la temperatura del cuerpo 37 oC es 577 cal/g oC

7. Un bloque de 1 kg de cobre a 20 oC se deja caer en un recipiente que contiene nitrogeno líquido a la temperatura 77 K. Suponiendo que el recipiente está térmicamente aislado de los alrededores, calcular el número de litros de nitrogeno que se evapora hasta que el cobre llega a los 77 K Densidad 0,8 g/cm3, calor de evaporación del nitrogeno: 48 cal /goC

8. Se mezcla 1kg de agua a 95 oC con 1 kg de hielo a 5oC . Se dispone de suficiente calor para fundir todo el hielo ¿Si es así a qué temperatura queda la mezcla?Calor especifico del hielo 0,5 cal / goC calor de fusión del hielo 80 cal/goC.


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WORK PAPER # 4


TITULO: Dilatación térmica

FECHA DE ENTREGA:

DILATACIÓN TÉRMICA

Cuando la temperatura de un cristal varia, se produce un cambio en sus dimensiones (dilata o contrae), y a menudo deforma, que se conoce como dilatación térmica. Cuando se recupera la temperatura inicial, se recuperan las dimensiones y la forma, y por tanto, el fenómeno es reversible. Un incremento de temperatura implica, normalmente, un aumento de las distancias interatómicas (y por tanto, una dilatación) debido al incremento de la vibración térmica de cada uno de los átomos. Si imaginamos un sistema sencillo formado por dos átomos enlazados, a 0 K el sistema es estático, no hay vibración térmica y los centros de los átomos se encuentran a una distancia determinada do

Al aumentar la temperatura, los átomos vibran alrededor de posiciones de equilibrio, y por tanto, la distancia promedio entre los dos centros (d1) es mayor y el sistema dilata. En la figura, para simplificación se harepresentado una vibración esférica alrededor del centro, por bien que en realidad no tiene esta forma). Intuitivamente, es fácil imaginar que amayor temperatura, más amplia es la vibración, y más grande la distancia entre los átomos, con el límite de estabilidad del sistema (transformación o fusión, en el caso de los cristales).En los cristales, la situación es más compleja porqué el sistema estridimensional, con enlaces de diferentes energías, y existen interacciones entre los átomos, y por tanto, el aumento de temperatura no siempre implica un aumento de las distancias, si no que, a veces, hay contracción.Hasta en cristales formados por una solo tipo de átomos, a menudo los

enlaces en diversas direcciones son diferentes (este es el caso del grafito o de los polimorfos del azufre, por ejemplo), y por tanto, es de esperar comportamientos diferentes en las diferentes direcciones. Esto lleva a suponer que el fenómeno puede ser, frecuentemente, anisotrópico.Siendo la dilatación térmica anisotrópica, las diferentes variaciones de dimensiones en las diversas direcciones puede causar la deformación de los poliedros de coordinación y la variación de las dimensiones de la celda fundamental. De hecho, estas variaciones son del orden de 10-5A/ºC.


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Dilatación térmica en cuerpos con estado sólido

Dilatación Lineal: El incremento que experimenta la unidad de longitud al aumentar 1 ºC su temperatura, se denomina " Coeficiente de Dilatación Lineal”.

L = Lo ( 1 + )

L = Longitud finalLo = Longitud inicial

= Coeficiente de Dilatación Líneal = incremento de temperatura = (tf - to)

Dilatación Superficial : El incremento que experimenta la unidad de superficie al aumentar 1 ºC su temperatura se denomina " Coeficiente de dilatación superficial ".

S = So ( 1 + ß )

S = Superficie finalSo = Superficie inicialß = Coeficiente de Dilatación Superficial (aproximadamente igual a 2 )

= Incremento de temperatura = (tf - to)

Dilatación Cúbica o volumétrica: El incremento que experimenta la unidad de volumen al aumentar 1ºC su temperatura se denomina " Coeficiente de Dilatación Cúbica”

V = Vo ( 1 + y )

V = Volumen finalVo = Volumen inicialy = Coeficiente de Dilatación Cúbica


Dilatación térmica en cuerpos con estado liquido

Dilatación Liquida: La dilatación de los líquidos es similar a la dilatación cúbica de los sólidos, por tanto, depende del incremento de temperatura y de la naturaleza del líquido.

V = Vo ( 1 + K At )

V = Volumen inicialVo = Volumen finalK = Coeficiente de dilatación cúbica del liquidoAt = Incremento de temperatura = (tf - to)

Dilatación térmica en cuerpos con estado liquido

Dilatación Liquida: La dilatación de los líquidos es similar a la dilatación cúbica de los sólidos, por tanto, depende del incremento de temperatura y de la naturaleza del líquido.

V = Vo ( 1 + K ) V = Volumen inicialVo = Volumen finalK = Coeficiente de dilatación cúbica del liquido



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Dilatación térmica en cuerpos con estado gaseoso

Dilatación Gaseosa: Experimentalmente se comprueba que la dilatación térmica de los gases no depende de su naturaleza, es decir, todos los gases experimentan el mismo incremento de volumen con un mismo incremento de temperatura

El coeficiente de dilatación de los gases, Ce es el mismo para todos ellos y su valor es :

œ = 1 / 273

El valor del volumen final de un gas que ha experimentado un incremento de temperatura se calcula a partir de la siguiente expresión:

V = Vo ( 1 + œ )

V = Volumen finalVo = Volumen inicialœ = Coeficiente de Dilatación de los Gases


1. Analizar la siguiente situación: En la ecuación ¿Lo es la longitud inicial, final o no importa cuál?

2. Una tuerca de latón se utiliza para ajustar un tornillo de acero. Que sucede cuando:a) Se calienta solo el tornillob) Se caliente solo la tuercac)Se calientan ambos por igual

3. Si se coloca bruscamente agua hirviendo dentro de un vaso de vidrio, éste se rompe ¿Qué le sucede al vaso? (el vaso tiene una superficie exterior y otra interior)

4. Una cinta métrica de acero está calibrada a 20 oC.a) ¿Su lectura es mayor o menor si se la calibra a 40 oC?b) Si la apreciación es de 1 mm y se mide una longitud de 2mm ¿afecta el error de apreciación?

5. Un frasco de vidrio de 200 cm3 se llena completamente de Hg a 20 oC ¿Cuánto Hg se derrama al subir la temperatura del sistema hasta 100oC? Los coeficientes de dilatación volumétrica del vidrio y del Hg son respectivamente 1.2x 10-5 18x 10-5 oC-1 Si la vasija fuera de Zn ¿Cuánto se derramaría? (Coeficientes de dilatación volumétrica del Zn 87x10-6 oC )

6. Un herrero debe colocar una llanta circular de hierro de 1m de diámetro a una rueda de madera de igual diámetro. Para poder ajustarla, calienta la llanta hasta conseguir que su radio exceda al de la rueda en 2mm.Si la temperatura ambiente es de 20 oC y el coeficiente de dilatación lineal de la llanta es de 12.2x 10-6 oC-1 , calcular la temperatura a la que debe calentarse la llanta.

7. La densidad del Hg a 20 oC es de 13.6 g/cm3 y su coeficiente de dilatación volumétrica es de 182 x10-6 oC-1 . Calcular la densidad del Hg a 100 oC

8 Un reloj de péndulo de cobre funciona exactamente cuando se lo mantiene a 20 oC ¿Cuánto atrasa por día si se lo mantiene a 40 oC?


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WORK PAPER # 5

UNIDAD O TEMA: CONCEPTOS BASICOS DE LA TERMODINAMICA

TITULO: Sistemas Termodinámicos

FECHA DE ENTREGA:

1. Introducción

La termodinámica se ocupa de la energía y sus transformaciones en los sistemas desde un punto de vista macroscópico. Sus leyes son restricciones generales que la naturaleza impone en todas esas transformaciones.

La termodinámica es una teoría de una gran generalidad, aplicable a sistemas de estructura muy elaborada con todas las formas de propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas complejas. Puesto que la termodinámica se focaliza en las propiedades térmicas, es conveniente idealizar y simplificar las propiedades mecánicas y eléctricas de los sistemas que estudiaremos... En este estudio de la termodinámica idealizaremos nuestros sistemas para que sus propiedades mecánicas y eléctricas sean lo más triviales posibles. Cuando el contenido esencial de la termodinámica haya sido desarrollado, será una cuestión simple extender el análisis a sistemas con estructuras mecánicas y eléctricas relativamente complejas. La cuestión esencial es señalar que las restricciones en los tipos de sistemas considerados no son limitaciones básicas sobre la generalidad de la teoría termodinámica, y sólo se adoptan meramente para la simplificación expositiva. Restringiremos (temporalmente) nuestra atención a sistemas simples, definidos como sistemas que son macroscópicamente homogéneos, isotrópicos, y desprovistos de carga eléctrica, que son lo suficientemente grandes para que los efectos de frontera puedan ser ignorados, y que no se encuentran bajo la acción de campos eléctricos, magnéticos o gravitacionales.

El sistema termodinámico más simple se compone de una masa fija de un fluido isotrópico puro no influenciado por reacciones químicas o campos externos. Tales sistemas se caracterizan por las tres coordenadas mensurables: presión P, volumen V y temperatura T y se llaman sistemas PVT.

2. Definición de sistema, entorno y universo

Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, lo cual se convierte entonces en el entorno del sistema.

El sistema y su entorno forman el universo.


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La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: a) aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.

Llamamos sistema, o medio interior, la porción del espacio limitado por una superficie real o ficticia, donde se sitúa la materia estudiada. El resto del universo es el medio exterior. La distinción entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar.

Si la frontera permite la interacción entre el sistema y su entorno, tal interacción se realiza a través de los canales existentes en la frontera. Los canales pueden ser inespecíficos para interacciones fundamentales tales como el calor o la interacción mecánica o eléctrica, o muy específicos para interacciones de transporte.

3. Sistemas aislados, cerrados y abiertos

Sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno.

Sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia.

Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno.


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4. Propiedades microscópicas y macroscópicas de un sistema

Todo sistema posee una estructura microscópica (moléculas, ellas mismas formadas por átomos, ellos mismos formados por partículas elementales); de modo que uno puede considerar, a priori, las características microscópicas, propias de cada una de las partículas constitutivas del sistema, y las características macroscópicas correspondientes al comportamiento estadístico de estas partículas.

5. Sistema termodinámico

Un sistema termodinámico es un sistema macroscópico, es decir, un sistema cuyo detalle de sus características microscópicas (comprendida la posición y la velocidad de las partículas en cada instante) es inaccesible y donde sólo son accesibles sus características estadísticas.

6. Estado de un sistema y sus transformaciones

[la palabra estado representa la totalidad de las propiedades macroscópicas asociadas con un sistema... Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables identificables tiene un estado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.

7. Concepto de transformación: estado inicial y estado final, transformación infinitesimal

Ocurre una transformación en el sistema si, como mínimo, cambia de valor una variable de estado del sistema a lo largo del tiempo. Si el estado inicial es distinto del estado final, la transformación es abierta. Si los estados inicial y final son iguales, la transformación es cerrada. Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la transformación es infinitesimal.


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Cualquier transformación puede realizarse por muy diversas maneras. El interés de la termodinámica se centra en los estados inicial y final de las transformaciones, independientemente del camino seguido. Eso es posible gracias a las funciones de estado.

8. Transformaciones reversibles e irreversibles

Una transformación es reversible si se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino. Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes. Si una transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible. En la realidad, las transformaciones reversibles no existen.

9. Equilibrio termodinámico

Las propiedades termodinámicas de un sistema vienen dadas por los atributos físicos macroscópicos observables del sistema, mediante la observación directa o mediante algún instrumento de medida.

Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo.

Los estados de equilibrio son, por definición, estados independientes del tiempo

El estado de equilibrio termodinámico se caracteriza por la anulación por compensación de flujos de intercambio y la homogeneidad espacial de los parámetros que caracterizan el sistema que ya no dependen del tiempo.

Un estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de masa o energía y sus parámetros característicos dependen en general de la posición y del tiempo. Si no dependen de este último, necesitan la intervención del entorno para mantener sus valores (estado estacionario fuera del equilibrio).

10. Reversibilidad

Un proceso es reversible si su dirección puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas. Para los procesos reversibles es posible basar los cálculos en las propiedades del sistema (con independencia de los del entorno). En los procesos reversibles, el sistema nunca se desplaza más que diferencialmente de su equilibrio interno o de su equilibrio con su entorno.

11. Noción de depósito

Se llama depósito un sistema cuyas variables intensivas no varían ni en el espacio ni en el tiempo, sean cuales sean los intercambios efectuados entre el sistema y el entorno. Así, un depósito es una fase que permanece indefinidamente idéntica a si misma. Ello implica que: 1) para todas las cantidades extensivas susceptibles de ser intercambiadas, puede considerarse que el sistema tiene una capacidad ilimitada. 2) que los intercambios se producen lentamente de forma que no se producen gradientes dentro del sistema de sus variables intensivas. 3) que no se producen reacciones químicas dentro del sistema.


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CUESTIONARIO WORK PAPER N° 5

1. Cuales son los beneficios prácticos de la termodinámica?

2. Dar ejemplos de procesos termodinámicos

3. Que concepto importante se necesita para expresar las relaciones de energía ,a través del calor y el trabajo como dos formas de transferir energía hacia adentro o hacia fuera del sistema?

4. Que representa un valor positivo de Q y de W, uno negativo de Q y w


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Práctica de Laboratorio: Nº 1Título: EXPANSION TERMICA.Lugar de Ejecución: Laboratorio de Física

Nombre y Apellidos: ________________________________________ ________________________________________

1. Objetivos.

Conocer las bases de la dilatación. Conocer la dilatación. Aplicar los conocimientos adquiridos acerca de la dilatación.

2. Aspectos fundamentales.

El calor que se suministra a un cuerpo se divide en dos partes: una que se conserva y calienta al cuerpo, esta es perceptible, y la otra provoca que la energía cinética de sus átomos aumente de tal modo que las distancias entre moléculas crece, expendiéndose así el cuerpo cuyo resultado es el aumento de sus moléculas.

De la fórmula:

Donde:

Lo: Longitud inicialL: Longitud finalto: Temperatura inicial t: Temperatura final∆L: Variación de la longitud∆t: Variación de la temperatura

: Coeficiente de dilatación

Como:

Reemplazando en (1)

Despejando: (2) ; y = mx

θ: Angulo formado por la aguja d: Longitud de la aguja


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3. Diseño del experimento

I. Método: Experimental II. Materiales y equipos:

1 varilla de cobre 1 varilla de aluminio 2 tableros de soporte 3 mecheros 1 aguja 1 escala graduada Multiester con sensor de temperatura

III. Desarrollo experimental

1. Medir con la mayor exactitud posible la longitud inicial de la varilla.2. Montar la varilla sobre uno de los tableros de soporte.3. Medir la temperatura inicial de la varilla con el multiester.4. Sujetar la aguja sobre el otro tablero a una altura adecuada.5. Ubicar la escala convenientemente debajo de la aguja que se calibra en cero.6. Poner en contacto con mucho cuidado, el extremo de la varilla con la aguja.7. Colocar los mecheros a lo largo de la varilla de manera que el calor responsable de la dilatación

se destruya uniformemente.8. Observar detenidamente lo que le sucede a la aguja durante el calentamiento de la varilla.9. Registrar la temperatura de la varilla en intervalos con el correspondiente desplazamiento de la

aguja.

DATOS Y CALCULOS.

1. Completar la siguiente tabla con los valores de la temperatura registrada por el tester y el ángulo formado de la aguja.

2. Observación: para realizar la conversión de la pendiente de grados a radianes, se multiplica el

resultado por

No T (C ) Angulo T (C ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

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4. Conclusiones sobre los resultados obtenidos

Se ha constatado que con el suministro de calor a un cuerpo la distancia entre los átomos aumenta debido al aumento de la energía cinética (nivel microscópico) lo que implica un aumento de longitud del mismo cuerpo (nivel microscópico).

5. Bibliografía

SERWAY RAYMOND A. “Física” Volumen I y II, México, McGraw-Hill. 1998 RESNICK, HALLIDAY. “Física” Volumen 1, 2 y 3, México, Editorial CECSA. 1981 TIPLER, PAUL A. Física – Volumen 1 y 2. ALONSO FINN. “Física” Tomo I y II, Addisson Wesley. 1997 SEARS. ZEMANSKY. YOUNG. “Física Universitaria”, Addison Wesley SEARS F., ZEMANSKY M. “Física General Campos y Ondas” Madrid, 1966


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Práctica de Laboratorio: Nº 2Título: Determinación de las calorías de una sustanciaLugar de Ejecución: Laboratorio de Física


1. Objetivos.

Estudiar los cambios de energía de calor que se producen en un calorímetro Determinar la variación de la temperatura que se produce al introducir un trozo de cobre calentado

previamente.


Un calorímetro es un instrumento que se usa para medir los cambios en la energía de calor.Un envase con dos cámaras puede ser un tipo de calorímetro. Algo debe quemarse en la cámara interna para que se produzca calor. La cámara externa, generalmente, contiene agua.El agua absorbe el calor que se produce por combustión en la cámara interna. Un termómetro en el agua muestra el aumento que ocurre en la temperatura, debido a la transferencia de energía.La energía que libera da un objetivo por la materia que esta alrededor del objeto. Ese principio explica como funciona el calorímetro. La energía calorica se libera en la cámara interna es igual a la energía calorica que gana que gana la cámara externa, es decir el calor que se gana es igual que se pierde. Pero en la realidad estos dos valores no son exactamente iguales debido a que un calorímetro pierde algo de calor en el aire que tiene a su alrededor. Por lo tanto se espera un error leve en las medidas. Para reducir la perdida de calor, la pared externa del calorímetro debe estar aislada.

La cantidad de calor que gana el agua esta dada por:

(1) con

donde:Ca: Capacidad calorífica del agua M: masa del aguaTf: temperatura de equilibrioTi: Temperatura inicialLa cantidad de calor que entrega el pedzo de cobre esta dada por:

(2)

donde Ccu: Capacidad calorifica del cobremcu: Masa del cobre (50 g)T2: Temperatura de ebullición del aguaT1: Temperatura ambiente

Como calor que se gana es igual al calor que se pierde Qg = QpLas ecuaciones (1) y (2) permiten determinar la temperatura de equilibrio


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2 Latas de diferentes tamaños con sus tapas Termómetro Varilla mezcladora de madera Lana de vidrio Mechero Balanza Cronometro 50 g de cobre


1. Cubrir la lata pequeña con lana de vidrio y colocarla dentro de la lata grande2. Perforar dos agujeros en la tapa : uno para el termómetro y otro para la varilla de madera3. Agregar 100ml de agua (alrededor de 100 g) wn la lata pequeña y dejarla reposar hasta que alcance la

temperatura ambiente.4. Calentar el cobre en agua hirviendo, durante 5 min.Se asume que la temperatura del cobre a ese tiempo es

igual a la temperatura de ebullición del agua.5. Apuntar el valor de la temperatura que tiene el agua dentro de calorímetro, antes de colocar el cobre

caliente.6. Cubrir el calorímetro con su tapa.7. Agitar levemente el agua con la varilla de madera y anotar la temperatura, cada 30 seg hasta que se

estabilice.

DATOS Y CALCULOS.

1. Con los datos obtenidos completar la tabla2. Determinar la temperatura de equilibrio3. Calcular la cantidad de calor que gana el agua4. Determinar la energía calórico que entregó el pedazo de cobre


El calor que se gana es igual que se pierde es el principio de funcionamiento de un calorimetroEs necesario un tiempo de espera para alcanzar una temperatura de equilibrio

5. Bibliografía


Práctica de Laboratorio: Nº 3


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Título: CALORIMETRÍA.Lugar de Ejecución: Laboratorio de Física


1. Objetivos.

Verificar el primer principio de la termodinámica de la conservación de la energía referida a 2 fuentes caloríficas.


Se hará una breve descripción del sistema adiabático, unidades caloríficas y propiedades extensivas e intensivas.

Consideramos 2 fuentes térmicas 1 y 2.

Por analogía con la ley, el calor resultante será la suma de las energías de la fuente caliente y fría.

Q1 = W1C1(T1-T+) 1Q2 = W2C2(T2-T+) 2Qm = (W1+W2)Cm(Tm-T+) 3Se cumple que : Qm = Q1+Q2 donde 4

Q1 Calor de fuente fría, Q2 calor de fuente caliente, Qm calor resultante al mezclar las 2 fuentes, W1 y W2 pesos de cada fuente, T1 y T2 temperaturas de la fuente fría y caliente, C1, C2 y Cm son los calores específicos respectivos, Tm temperatura de mezcla resultante y T + es una temperatura de referencia, por Ej.: La ambiente ó 0ºc

Reemplazando en la ecuación 4 las 1, 2 y 3 y haciendo T+ = 0ºc despejamos Tm

Tm = W1C1T1 + W2C2T2 (W1 + W2)Cm

Esta ecuación nos permite conocer calores específicos, para nuestra experiencia utilizaremos agua, quedando la ec. 5 finalmente así.

Tm = W1/T1 + W2/T2 W1 + W2


I. Método: Experimental

II. Materiales y equipos:


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1 termo o calorímetro. 1 malla asbesto. 2 beakers de 500 y 250 cc. 1 trípode de anillo. 1 termómetro 0 – 100ºc. 1 mechero busen. 1 probeta de 200cc. 1 pinza p/crisoles. 1 balanza 0.01 gr. fósforos y agua.


La experiencia comprende 2 partes A y B

Experiencia A

Pesar: termo vació, agregarle aproximadamente 150 gr. de agua y volverla a pesar conocer W1 dela agua fría, tomar la temperatura T1 en el termo cuando se estabilice.Agregar a unos 70 gr. de agua caliente rápidamente midiendo previamente su temperatura Tm de la mezcla.Pasar el termo con el agua caliente y fría para obtener el peso exacto del agua fría W2.Anotar todas las mediciones.

Experiencia B

Vaciar el termo y agregarle unos 150cc de agua caliente, pesarlo para conocer el peso de agua W2, medir su temperatura cuando se estabilice.Agregar unos 100cc de agua fría midiendo su temperatura previamente T1. Mezclar con el mismo termómetro e inmediatamente determinar la temperatura de la mezcla Tm. Pesar todo el termo para conocer el peso de agua fría W1. Anotar todas las mediciones.Cálculos.- se sugiere el siguiente cuadro de valores:

Experiencia A

C C+W1 C+W1+W2 W1 W2 T1 T2 Tmt Tmo E%

Experiencia B

C C+W2 C+W2+W1 W1 W2 T1 T2 Tmt Tmo E%

Aplicar la ec. 6 para calcular Tmt teórica y compararla con la temperatura de mezcla Tmo observada en la experiencia.El error relativo porcentual se calcula en valor absoluto

E% = (Tmt – Tmo) * 100 Tmt


Se acepta un error hasta el 1% si se utiliza un termómetro con grados fraccionarios, en nuestro caso no debería pasar del 2%. La principal causa es una falta de estabilidad en las mediciones de temperatura y errores operacionales. El termo debe ser de buena calidad. Mejor si es de 1 litro.


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Práctica de Laboratorio: Nº 4Título: DETERMINACIÓN DEL EQUIVALENTE ELECTRICO Y CALORLugar de Ejecución: Laboratorio de Física


1. Objetivos.

Determinar la equivalencia entre dos formas de energía: eléctrica y calórico para cuantificar un equivalente “mecánico del calor”.

Calcular la energía calórica de una sustancia Determinar cuales son las unidades que se conoce para medir energía


Como el calor es una forma de energía cualquier unidad de energía puede ser usada como unidad de calor. James Joule fue el primero en cuantificar el equivalente de energía mecánica en energía calórica, es decir el número de “Joules” equivalentes a una “caloría”.En este caso la cantidad relativa entre la unidad calorífica y la unidad eléctrica se la puede encontrar realizando un experimento en el cual una cierta cantidad de energía eléctrica que se suministra se pueda convertir en una cantidad medible de calor. Esto se consigue haciendo circular una intensidad de corriente I a través de la resistencia R del recipiente durante un cierto tiempo T se genera en esta resistencia potencia eléctrica en forma de calor. Por definición la potencia eléctrica suministrada Ps (Watts) es:

( 1 ) Ps = E E: energía eléctrica suministrada ( j ) t t: tiempo de suministro de energía eléctrica.La potencia disipada Pd (Watts) esta dada por:

( 2 ) Pd = I2 R = V2 I: intensidad de corriente R V: voltaje (diferencia de potencial ) R: resistencia eléctrica ( ohm ) En este caso toda la potencia suministrada de disipa en la resistencia

PS = Pd

E = V2

T R => E = V2 t ( 4 ) R

Como la resistencia eléctrica se encuentra sumergida dentro del recipiente al circular corriente eléctrico a través de ella, esta disipa potencia en forma de calor. Realizando un balance de energía, se tiene:

( 5 ) Qd = QC + Qa Qd: calor disipado por la resistencia Qc: calor ganado por el recipiente y accesorios Qa: calor ganado por el agua en el recipiente


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QC = CC (Tf - Ti ) y Qa = m a Ca ( Tf – Ti ) reemplazando en ( 5 )

( 6 ) Qd = ( Cc + ma Ca) (Tf - Ti)

Donde :Cc : capacidad calorífica del recipiente y accesoriosMa: masa del aguaCa: Calor específico del aguaTf: Temperatura finalTi: temperatura inicial

En la ecuación (6) es necesario determinar los valores de Cc, Tf y TiLo que se efectúa a continuación:

Determinación de Cc:

Se calienta en el recipiente una masa m1 de agua hasta una temperatura T1 (mayor a la temperatura ambiente), luego se agrega una masa m2 que se encuentra a menor temperatura que m1. Se espera hasta que la mezcla alcance el equilibrio térmico y se mide esta temperatura.Efectuando el correspondiente balance de energía se tiene:(7) Qg1 = -Qg2 Qg1: Calor ganado por m1

Qg2: Calor ganado por m2

Qg1 = (Cc+maCa)(T2-T1)Qg2 = m2Ca(T2-T1)

Reemplazando en (7) y despejando Cc :



Recipiente Resistencia eléctrica (calentar) Fuente de voltaje Cronometro Voltímetro Cables de conexión Termómetro Agitador Balanza Agua

III. Desarrollo experimentalA) Capacidad Calórica del recipiente Cc 1. Medir la masa del recipiente vacío mas sus accesorios ( agitador, resistencia y termómetro)2. Agregar agua hasta la mitad del recipiente3. Medir la masa del recipiente con agua4. Esperar un momento y proceder a medir las temperaturas T1 del recipiente y el agua 5. Calentar agua hasta la ebullición , medir su temperatura T2 y agregarla ala recipiente


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6. Agitar la mezcla hasta lograr el equilibrio térmico7. Medir nuevamente la masa del recipiente con agua. Efectuar la resta y determinar la masa del

agua caliente m2

B) Equivalente mecánico del calor

1. Verter agua en el recipiente de modo que la resistencia quede totalmente sumergida en el líquido

2. Medir la masa del recipiente lleno y con esta información cuantificar la masa de agua ma3. Medir la temperatura cada 30 seg. por espacio de 3 min. 4. Conectar la resistencia a la fuente y esperar las indicaciones del encargado de laboratorio

respecto al voltaje a ser utilizado en el experimento5. Una vez que se encienda la fuente de voltaje y se suministre la energía eléctrica, medir la

temperatura cada 30 seg. hasta que se incremente mas o menos 30 0C 6. Cortar el suministro de energía eléctrica y continuar midiendo la temperatura cada 30 seg. 7. Apuntar los valores de temperatura , luego el rango que permanezca mas tiempo estable

indicará la temperatura de equilibrio8. Apuntar en la hoja de datos los valores de resistencia, el voltaje y tiempo de suministro de

energía


Como el calor es una forma de energía cualquier unidad de energía puede ser usada como unidad de calor.

La cantidad relativa entre la unidad calorífica y la unidad eléctrica se la puede encontrar al realizar un experimento en el cual una cierta cantidad de energía eléctrica que se suministra se pueda convertir en una cantidad medible de calor.

5. Bibliografía



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DIF’s # 1

UNIDAD O TEMA: PROPIEDADES TERMICAS DE LA MATERIA

TITULO: Ecuación de los gases

FECHA DE ENTREGA:

La Presión de un gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene, el Volumen que ocupa, la Temperatura a la que se encuentra y la cantidad de sustancia que contiene (número de moles) están relacionadas. A partir de las leyes de Boyle-Mariotte, Charles- Gay Lussac y Avogadro se puede determinar la ecuación que relaciona estas variables conocida como Ecuación de Estado de los Gases Ideales: PV=nRT. El valor de R (constante de los gases ideales) puede determinarse experimentalmente y tiene un valor de 0,082 (atm.L/K.mol ).No se puede modificar una de estas variables sin que cambien las otras. E l valor de R Puede determinarse experimentalmente. Si se tiene en cuenta que: P = (n/V) R T ; como n/V es la concentración molar del gas P = c R T . Cabe esperar que la representación de P frente a T sea una recta que pase por el origen de coordenadas y tenga de pendiente R .T1. Conocer la relación que liga las diferentes variables que afectan al comportamiento de los gases 2. Determinar experimentalmente el valor de R de la ecuación de estado de los gases ideales.3. Modificar las variables de estado de los gases y observar los cambios.4. Verificar la validez de la ecuación de estado de los gases ideal

TAREA DEL DIF´s

Realizar una discusión grupal de la temática. Finalizando con una valoración a manera de conclusión por escrito y entregar al docente.


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DIF’s # 2

UNIDAD O TEMA: Calorimetría

TITULO: El Experimento de Joule

FECHA DE ENTREGA:

En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.

Demostrar como se puede calentar agua sin necesidad de usar fuego estudiando el experimento de Joule

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DIF’s # 3

UNIDAD O TEMA: Fases de la materia

TITULO: El punto triple

FECHA DE ENTREGA:

El punto triple de una sustancia, aparece al someter a ciertas condiciones de presión, volumen y temperatura; por cada sustancia existe un punto y en este existe un equilibrio de las fases, físicamente se observa como la existencia de liquido, gas y sólido en el recipiente.Sabemos que el punto triple normal de congelación del agua es de 0°C, a 1 atm de presión extrema y cuando el agua esta saturada con el aire, la presión de vapor real de agua a esta temperatura es de 4.6 mmHg aproximadamente. Si se coloca bajo un sistema de agua libre de aire y se le dejara alcanzar su equilibrio, se encontraría que el punto de congelación en el que el sólido y él liquido existe simultáneamente en presencia de vapor, seria de 0.0099°C y la presión de vapor seria 4.58 mmHg. Esta temperatura se conoce como punto triple

Determinar las condiciones en las que s e observa el punto triple como una de las aplicaciones que se pueden dar en la practica.

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DIF’s #4

UNIDAD O TEMA: PROPIEDADES TERMICAS DE LA MATERIA

TITULO: Modelo cinético-molecular de un gas ideal

FECHA DE ENTREGA:

El objetivo de cualquier teoría molecular de la materia es entender las propiedades microscópicas de la materia en términos de su estructura atómica o molecular y su comportamiento. Estudiar un modelo cinético molecular sencillo de un gas ideal, representado por un gran número de rearticulas dentro de un recipiente cerrado de manera que pueda entenderse la relación entre la ecuación de estado de los gases ideales y las leyes de Newton... Luego ampliar el modelo par incluir partículas que no son puntos, sino que tienen tamaño finito.

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DIF’s # 5

UNIDAD O TEMA: SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

TITULO: El ciclo de Carnot

FECHA DE ENTREGA:

La termodinámica trata fundamentalmente de las transformaciones del calor en trabajo mecánico y de las transformaciones opuestas del trabajo mecánico en calor. En 1824 el ingeniero francés Sadi Carnot estudió la eficiencia de las diferentes máquinas térmicas que trabajan transfiriendo calor de una fuente de calor a otra y concluyó que las más eficientes son las que funcionan de manera reversible. Para ello diseñó una máquina térmica totalmente reversible que funciona entre dos fuentes de calor de temperaturas fijas. Esta máquina se conoce como la máquina de Carnot y su funcionamiento se llama el ciclo de Carnot

Como, de acuerdo con lord Kelvin es imposible transformar en trabajo el calor que se toma de una única fuente a temperatura uniforme mediante una transformación que no produzca ningún otro cambio en los sistemas que intervienen en ella, para realizarla necesitamos por lo menos dos fuentes a dos temperaturas distintas,t1 y t2. Si contamos con dichas fuentes, podemos transformar el calor en trabajo por medio del proceso adecuado, denominado ciclo de Carnot.

a) Describir una máquina de Carnota b) Indicar cuales son los ciclos para su funcionamiento

c) Analizar que ocurre con el cambio de entropía

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Syllabus Fisica III