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COLEGIO DE BACHILLERES

PLANTEL 2 CIEN METROS

“Elisa Acuña Rossetti”

GUIA DE ESTUDIO DE LA ASIGNATURA DE

FÍSICA II

CLAVE 205

ACADEMIA DE FÍSICA-GEOGRAFÍA

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Esta guía es un material diseñado para apoyarte en la preparación de tu examen de recuperación, es

indispensable que trabajes en la investigación de algunos temas y resolución de actividades.

Es un material que deberás trabajar de manera independiente, apoyándote de libros o páginas de internet

seguras.

Las investigaciones y ejercicios resueltos debes entregarlos únicamente el día del examen. Con las siguientes

características:

En hojas blancas

Engrapadas

Caratula y comprobante de inscripción

SIN FOLDER NI SOBRE AMARILLO

Bloque I “FLUIDOS”

Tipos de Fluidos y sus propiedades.

Para el fluido en movimiento es de vital importancia y conocer las propiedades que lo rigen, es fundamental

primero que todo tener claro el concepto de fluido. Cuando se observa algo que tiene la habilidad de moverse

en un ambiente sin conservar su forma original, hablamos de un fluido. Más precisamente, es un estado de la

materia con un volumen indefinido, debido a la mínima cohesión que existe entre sus moléculas.

Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su

comportamiento así como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y

otras son típicas de todas las sustancias. Propiedades como la viscosidad, tensión superficial y presión de

vapor solo se pueden definir en los líquidos y gases. Sin embargo la masa específica, el peso específico y la

densidad son atributos de cualquier materia.

Propiedades de los fluidos.

• Estabilidad: se dice que el flujo es estable cuando sus partículas siguen una trayectoria uniforme, es

decir, nunca se cruza entre sí. La velocidad en cualquier punto se mantiene constante el tiempo.

• Turbulencia: debido a la rapidez en que se desplaza las moléculas el fluido se vuelve turbulento; un flujo

irregular es caracterizado por pequeñas regiones similares a torbellinos.

• Viscosidad: es una propiedad de los fluidos que se refiera el grado de fricción interna; se asocia con la

resistencia que presentan dos capas adyacentes moviéndose dentro del fluido. Debido a esta propiedad

parte de la energía cinética del fluido se convierte en energía interna.

• Densidad: es la relación entre la masa y el volumen que ocupa, es decir la masa de unidad de volumen.

• Volumen específico: es el volumen que ocupa un fluido por unidad de peso.

• Peso específico: corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen.

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• Gravedad específica: indica la densidad de un fluido respecto a la densidad del agua a temperatura

estándar. Esta propiedad es dimensional.

• Tensión superficial: En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía

necesaria para disminuir su superficie por unidad de área.

Tipos de Fluidos.

• Fluido newtoniano: Un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en

el tiempo. La curva que muestra la relación entre el esfuerzo o cizalla contra su tasa de deformación es

lineal y pasa por el origen. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposición al

pegamento, la miel o los geles que son ejemplos de fluido no newtoniano. Un buen número de fluidos

comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y temperatura:

el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales.

• Fluido no newtoniano: es aquél cuya viscosidad varía con la temperatura y presión, pero no con la

variación de la velocidad. Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades que

tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de esfuerzos bajo diferentes condiciones

de flujo, tales como condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio.

Es importante clasificar los fluidos no newtonianos en independientes del tiempo o dependientes del tiempo.

Algunos ejemplos de fluidos independientes del tiempo son: el plasma sanguíneo, polietileno fundido, látex,

almibares, adhesivos, malazas y tintas. Los fluidos que dependen del tiempo son difíciles de analizar porque

su viscosidad aparente varía con el tiempo. Ejemplos de ellos son petróleos crudos a temperaturas bajas, tinta

para impresoras, nylon, ciertas gelatinas, mezclas de harina y varias solucione de polímeros.

A partir de la información anterior da respuesta a los siguientes cuestionamientos.

1.- ¿Qué es un fluido?

2.- ¿Cuáles son los tipos de fluidos y en que consisten?

3.- ¿Qué es el peso específico?

4.- Anota un ejemplo de la viscosidad

5.- ¿En qué consiste la tensión superficial y anota un ejemplo?

DENSIDAD

Aunque toda la materia posee masa y volumen, la misma masa de sustancias diferentes que tienen, ocupan

distintos volúmenes, así notamos que el hierro o el hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de

goma de borrar o de plástico son ligeras. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una

sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos

parecerá.

FORMULA DE DENSIDAD d = m / V

DONDE: d =densidad Kg/m3

m = masa Kg V =

Volumen m3

La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Así, como en el

SI, la masa se mide en kg y el volumen en m3, la densidad se medirá en kg / m3. Ésta unidad de medida, sin

embargo, es muy poco usada, ya que es demasiado pequeña. La mayoría de las sustancias tienen

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densidades similares a las del agua por lo que, de usar esta unidad, se estarían usando siempre números muy

grandes. (Si tienes volumen en Litros (L) lo divides entre 1000 y te da m3)

PESO ESPECÍFICO

El peso específico es aquel que relaciona el peso de un componente con su volumen, quedando representado

con las siguientes formulas.

P = mg / V Pe = d . g DONDE:

P =peso N Pe =Peso específico

m = masa Kg d = densidad Kg /m3 . g =gravedad = 9.8 m /s2 g

= gravedad 9.8m /s2

V = volumen m3

Las unidades en las que se mide el peso específico son de N/m3.

Ejemplo:

Ahora ejemplificaremos algunas situaciones en donde se utilicen estos tipos de relaciones.

José se dirige hacia la gasolinera y de momento recuerda que cuando el era estudiante le enseñaron a

realizar diversos cuestionamientos con respecto del entorno y se hizo el siguiente cuestionamiento;

Si comprara 15000 litros de gasolina con una densidad de 700 kg/m3 ¿Cuál sería la masa y el peso

específico de estos?

Ayudemos a José.

d =700kg/m3

Conversión; Si tenemos que el volumen lo necesitamos en m3 entonces pasemos de litros a esa unidad.

Equivalencia 1m3 = 1000L, por lo tanto 15000 L son iguales o equivalentes a 15m3.

Ya teniendo en orden nuestros datos pasemos a buscar la fórmula a utilizar dependiendo de los datos que nos

dan.

Quiero calcular peso específico y solo tengo la densidad por lo tanto usaremos una fórmula que contenga un

dato conocido de manera general.

Asi que ahora solo sustituimos los valores para llegar a la primera incógnita.

Pe =d . g Sustituimos Pe = (700kg/m3)( 9.81 m/s2)

Pe = 457.8 N/m3

Solo falta sacar la masa.

d=m/v m=

d V

m=(700kg/m3)(15m3) m=1500

kg

V=1500 litros

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PRESION

La presión indica la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la que actúa;

P=F/A La

presión se mide en pascales (Pa o N/m2).

F es la fuerza y se da en N (Newton).

A es el área y se da en m2

La expresión matemática de la presión señala que a mayor fuerza aplicada, y a mayor área menor presión.

Ejemplo;

Un cuerpo de 120 kg esta soporte por 2 columnas de 45cm de diámetro. Encuentra la presión que ejercen las

columnas sobre el piso.

Primero identifiquemos las fórmulas que utilizaremos.

P=F/A

Para esta necesitamos el área, por lo cual tenemos que sacarla, así que tenemos que buscar datos.

Convertimos 45cm a unidades de m y esto nos da 0.45m entre 2 por que requeridos el radio 0.225 m de radio

y los sustituimos en la fórmula para sacar área del circulo

A= pi r^2 A=0.159m2

Teniendo los datos ya podemos buscar el peso que es lo que nos dará la presión.

Recordemos que el peso nos da las unidades de N y la formula de peso es

P=mg sustituimos P = 120Kg *9.81m/s2 = 1177.2 N

Como son dos columnas multiplicamos el área por dos 2A = 0.318m2 Ya

para finalizar tenemos que sustituir en la fórmula de presión.

P = F/ A Sustituimos P=1177.2N / 0.318m2 = 3.702 Pa

1. Presión hidrostática

Es aquella que origina todo liquido sobre el fondo y las pareces del recipiente que lo

contiene. Se debe a la fuerza que el peso de las moléculas ejerce sobre un área

determinada; la presión aumenta a mayor profundidad.

Ph=pe h

Ph=d.g.h DONDE: Ph = Presión hidrostática Pa o N/m2

d = densidad Kg/m3

g = gravedad 9.8 m/s2

h = altura m

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Calcula la presión hidrostática en el punto A de un tanque de almacenamiento de liquido a una altura de 2 m el

liquido contenido es agua Densidad del agua 1000 Kg / m3

Datos Formula Sustitución

Ph = ? Ph=d.g.h Ph = 1000Kg/m3 (9.8 m/s2) (2m)

h = 2 m = 19600 Pa g = gravedad 9.8

m/s2

2. PRINCIPIO DE PASCAL

La característica estructural de los fluidos hace que en ellos se transmitan presiones, a diferencia de lo que

ocurre en los sólidos, que transmiten fuerzas. Este comportamiento fue descubierto por el físico francés Blaise

Pascal (1623-1662) , quien estableció el siguiente principio:

Un cambio de presión aplicado a un fluido en reposo dentro de un recipiente se transmite sin alteración a través de todo el fluido. Es igual en todas las direcciones y actúa mediante fuerzas perpendiculares a las paredes que lo contienen.

El principio de Pascal fundamenta el funcionamiento de las genéricamente llamadas máquinas hidráulicas:

la prensa, el gato, el freno, el ascensor y la grúa, entre otras.

Cuando apretamos una chinche, la fuerza que el pulgar hace sobre la cabeza es igual a la que la punta de

la chinche ejerce sobre la pared. La gran superficie de la cabeza alivia la presión sobre el pulgar; la punta afilada

permite que la presión sobre la pared alcance para perforarla.

Cuando caminamos sobre un terreno blando debemos usar zapatos que cubran una mayor superficie de

apoyo de tal manera que la presión sobre el piso sea la más pequeña posible. Sería casi imposible para una

mujer, inclusive las más liviana, camina con tacos altos sobre la arena, porque se hundiría inexorablemente.

Esto se da con las siguientes formulas;

F/A=f/a

Embolo menor con área

menor fuerza (f) y área (a)

Embolo menor con

mayor F y mayor

área A

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F = Fuerza del embolo mayor N f

=fuerza del embolo menor N a=

Área del embolo menor cm3 o m3

A= Área del embolo mayor cm3 o m3

Ejemplo Platearemos lo aprendido.

Calcula la fuerza que se obtendrá en el embolo mayor de una prensa hidráulica, que tiene un área de 100 cm2,

cuando el embolo menor de 15 cm2 de área se aplica una fuerza de 200 N

Datos Formula Sustituimos

F = F/A = f/a F = 200 N X 100 cm2 = 1333.33 N

A = 100 cm2 Despejamos F = f A / a 15 cm2 a = 15 cm2 f =

200 N

3. PRINCIPIO DE ARQUIMEDES

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «un cuerpo total o parcialmente sumergido en

un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja».

Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático

Resuelve los siguientes ejercicios.

1.-1500 Kg de plomo, ocupan un volumen de 0.13274 m3. ¿Cuánto vale su densidad?

2.- ¿Cuál es la masa y el peso de 10 L de mercurio? La densidad del mercurio es de 13,600 Kg /m3

3.-Calcular el peso específico del oro, cuya densidad es de 19, 300 Kg /m3

4.-Calcular la presión que se aplica sobre un líquido encerrado en un tanque, por medio de un pistón o embolo,

que tiene una área de 0.02 m2 y aplica una fuerza de 100 N

5.- Calcular el área sobre la cual debe aplicarse una fuerza de 150 N para que exista una presión de 200 N/m2

6.- Determine la profundidad a que se encuentra sumergido un buceador en el mar, si soporta una presión

hidrostática de 399840 N/m2. La densidad del agua de mar es de 1020 Kg /m3

7. A que altura máxima llegará el agua al ser bombeada a través de una tubería con una presión de

4 x 10 5 Kg /m2 La densidad del agua es de 1000 Kg /m3 (utiliza la fórmula de presión hidrostática y despeja la altura)

8.- ¿Cuál será la fuerza que se producirá en el embolo mayor de una prensa hidráulica, que tiene un diámetro de

40 cm, si en el embolo, se ejerce una fuerza de 250 N? (Utiliza la fórmula de principio de pascal)

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Bloque II “ENERGÍA TERMICA”

2. 1- MEDIDA DE TEMPERATURA

La temperatura es una magnitud física que expresa el grado o nivel de calor o frío de los cuerpos o del ambiente.

En el sistema internacional de unidades, la unidad de temperatura es el Kelvin. A continuación, de forma

generalizada, hablaremos de otras unidades de medida para la temperatura.

En primer lugar podemos distinguir, por decirlo así, dos categorías en las unidades de medida para la

temperatura: absolutas y relativas.

- Absolutas son las que parten del cero absoluto, que es la temperatura teórica más baja posible, y

corresponde al punto en el que las moléculas y los átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica

posible.

- Kelvin (sistema internacional): se representa por la letra K y no lleva ningún símbolo "º" de grado. Fue

creada por William Thomson, sobre la base de grados Celsius, estableciendo así el punto cero en el cero

absoluto (273,15 ºC) y conservando la misma dimensión para los grados. Esta fue establecida en el sistema

internacional de unidades en 1954.

- Relativas por que se comparan con un proceso fisicoquímico establecido que siempre se produce a la

misma temperatura.

Grados Celsius (sistema internacional): o también denominado grado centígrado, se representa con el

símbolo ºC. Esta unidad de medida se define escogiendo el punto de congelación del agua a 0º y el punto de

ebullición del agua a 100º , ambas medidas a una atmósfera de presión, y dividiendo la escala en 100 partes

iguales en las que cada una corresponde a 1 grado. Esta escala la propuso Anders Celsius en 1742, un físico y

astrónomo sueco.

- Grados Fahrenheit (sistema internacional): este toma las divisiones entre los puntos de congelación y

evaporación de disoluciones de cloruro amónico. Así que la propuesta de Gabriel Fahrenheit en 1724, establece

el cero y el cien en las temperaturas de congelación y evaporación del cloruro amónico en agua.

Este utilizo un termómetro de mercurio en el que introduce una mezcla de hielo triturado con cloruro amónico a

partes iguales. Esta disolución salina concentrada daba la temperatura más baja posible en el laboratorio, por

aquella época. A continuación realizaba otra mezcla de hielo triturado y agua pura, que determina el punto 30

ºF, que después fija en 32 ºF (punto de fusión del hielo) y posteriormente expone el termómetro al vapor de

agua hirviendo y obtiene el punto 212 ºF (punto de ebullición del agua). La diferencia entre los dos puntos es de

180 ºF, que dividida en 180 partes iguales determina el grado Fahrenheit.

2.2 ESCALAS DE TEMPERATURA

Para convertir de grados Kelvin a grados centígrados

º C = ºK - 273

Ejemplo: Convertir 273 ºK a ºC Solución ºC = 273 -273 = 0 ºK

Para convertir de grados centígrados a grados Kelvin

ºK = ºC + 273

Ejemplo Convertir 100 º C a º K Solución ºK = 100º C + 273 =373 º K

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Para convertir grados centígrados a grados Fahrenheit ºF

= 1.8 ºC + 32

Para convertir de grados Fahrenheit a grados centígrados

ºC = ºF - 32

1.8

Ejemplo Convertir 212 ºF a ºC Solución ºC = 212 ºF - 32 = 100 ºC

1.8

2.3 DILATACION DE LOS CUERPOS

Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los cuerpos. La mayoría de estos se dilatan al calentarse y

se contraen si se enfrían. Los gases se dilatan mucho más que los líquidos y éstos más que los sólidos. En los

gases y los liquidos, las partículas chocan unas con otras en forma continua, pero si se calientan, chocaràn

violentamente rebotando a mayores distancias, y provocaràn la dilatación. En los solidos, las partículas vibran

alrededor de posiciones fijas, pero al calentarse aumentan su movimiento y se alejan de sus centros de vibración

por lo que se produce la dilatación. Por el contrario al bajar la temperatura las partículas vibran menos y el solido

se contrae.

Coeficiente de dilatación lineal: Es el incremento de longitud que presenta uan varilla de determinada substancia,

con un largo inicial de un metro, cuando su temperatura se eleva un grado centígrado. Por ejemplo una varilla

de aluminio de un metro de longitud aumenta 0.000024 m (22.4 x10 -6 m) al elevar su temperatura 1 ºC. A ese

incremento se le llama coeficiente de dilatación lineal y se representa con la letra griega alfa.

Algunos coeficientes de dilatación lineal son:

2.4 CALOR ESPECÍFICO

El calor (representado con la letra Q) es la energía transferida de un sistema a otro (o de un sistema a sus

alrededores) debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos. El calor que absorbe o cede un

sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que ha experimentado dicho

sistema.

Dos o más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta temperatura alcanzan, pasado un tiempo, el

equilibrio térmico (misma temperatura). Este hecho se conoce como Principio Cero de la Termodinámica, y se

ilustra en la siguiente figura.

Un aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no almacenan calor sino energía interna. El calor

es por tanto la transferencia de parte de dicha energía interna de un sistema a otro, con la condición de que

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ambos estén a diferente temperatura. Sus unidades en el Sistema Internacional son los julios (J). L expresión

que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta sustancia con la variación de

temperatura Δt que experimenta es:

DONDE:

c = Es calor específico de la sustancia en cal/ gº C

Q= Calor sumistrado en cal m = masa g

= To - Tf incremento de temperatura º C To = Temperatura inicial

Tf = Temperatura final

Ejemplo

¿Qué cantidad de calor se necesita suministrar a 500g de agua para que eleve su temperatura de 10ºC a

80º C? Considera el calor especifico del agua como 1 cal/g ºC

Datos Fòrmula Sustitución y resultado

Q = ? Q = 500g x 1 cal/ g ºC ( 80ºC - 10ºC)

m = 500 g Q = 35,000 cal

= To =10 ºC

Tf = 80 ºC

En este ejercicio la unidades del calor especifico fueron en cal/ g ºC y en el Sistema internacional es J/kg K.

estos valores se encuentran en tablas con te abras dado cuenta, recuerda que si vas utilizar tablas de calor

especifico con unidades del Sistema internacional requieres utilizar la masa en Kg y las temperaturas en ºK y

de esta manera el resultado de Q será e J.

El calor específico (o capacidad calorífica específica) es la energía necesaria para elevar en un 1 grado la temperatura de 1 kg de masa. Sus unidades en el Sistema Internacional son J/kg K.

En general, el calor específico de una sustancia depende de la temperatura. Sin embargo, como esta

dependencia no es muy grande, suele tratarse como una constante.

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2.5 COEFICIENTE DE DILATACION LINEAL

TABLA DE COEFICIENTES DE DILATACIÓN LINEAL

Si conocemos el coeficiente de dilatación lineal de una substancia y queremos calcular la longitud final que

tendrá un cuerpo al variar su temperatura, despejamos la longitud final de la ecuación anterior y tenemos

Ejemplo:

Una varilla de fierro, a una temperatura de 15 °C tienen una longitud de 5m ¡Cual será la longitud al aumentar

la temperatura a 25 °C?

1. Formalmente el cuerpo humano puede soportar una temperatura de 105 ° F por cortos

Periodos sin sufrir daños permanentes en el cerebro y otros órganos vitales ¿Cuál es la temperatura en grados

Celsius?

2. El etilenglicol es un compuesto orgánico líquido que se utiliza como anticongelante en los radiadores de los

automóviles. Se congela a -11.5 °C. ¿Calcule esta temperatura de congelación en grados Fahrenheit?

Resuelve los siguientes ejercicios.

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3. Un estudiante de ingeniería decide hornear una pizza. De acuerdo con las instrucciones, la pizza debe

hornearse por 10 minutos a 425 °F. Sin embargo el marcador del horno está en grados Celsius. ¿A qué

temperatura debe colocarse la perilla para que la pizza quede lista en 10 minutos?

4. Una persona que está enferma tiene una temperatura de 40 ° C. la temperatura normal del cuerpo es 37°C.

Esto representa un aumento de 3 grados centígrados en temperatura.

¿Qué tipo de aumento por encima de la temperatura normal del cuerpo representa esta en

50 ºC A ºK

120 ºC a ºF

380 ºK a ºC

210 ºC A ºK

60 ºC a ºF

20 ºC a ºF

50 ºC A ºK

30 ºK a ºC

367 ºF a ºC

Ejercicios de dilatación lineal

a) Un puente de acero de 100 m de largo a 8 ºC, aumenta su temperatura a 24 ºC ¿Cuánto

medirá su longitud?

b) ¿Cuál es la longitud de un riel de fierro de 50 m a 40ºC, si desciende su temperatura a 6

ºC? ¿Cuánto se contrajo?

c) Investida la forma de propagación de calor (mínimo 5 explicando cada una de las formas)

Ejercicios de calor específico

a) ¿Cuántas calorías se deben suministrar para que un trozo de fierro de 0.3 Kg eleve su temperatura de 20

ºC a 100 ºC (nota: calor específico del fierro es 0.113 cal/g°C

b) Determina la cantidad de calor especifico de una muestra metálica de 100 g, que requiere 868 calorías para

elevar su temperatura de 50 ºC a 90 ºC .Nota despeja el calor especifico (c) de la fórmula de

Bloque III “TERMODINÁMICA Y MÁQUINAS TÉRMICAS”

La termodinámica es la rama de la física que se encarga del estudio de la transformación del calor en trabajo

y viceversa. Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras

máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial.

La Termodinámica clásica (que es la que se tratará en estas páginas) se desarrolló antes de que la estructura

atómica fuera descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados que arroja y los principios que

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trata son independientes de la estructura atómica y molecular de la materia. Es de suma importancia antes

de empezar a hablar de termodinámica conocer sus variables.

Las variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se emplean para describir el

estado de un sistema termodinámico. Dependiendo de la naturaleza del sistema termodinámico objeto de

estudio, pueden elegirse distintos conjuntos de variables termodinámicas para describirlo. En el caso de un

gas, estas variables son:

Masa (m ó n): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. En el Sistema Internacional se expresa

respectivamente en kilogramos (kg) o en número de moles (mol).

Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En el Sistema Internacional se expresa en

metros cúbicos (m3). Si bien el litro (l) no es una unidad del Sistema Internacional, es ampliamente utilizada. Su

conversión a metros cúbicos es: 1 l = 10-3 m3.

Presión (p): Es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la dirección perpendicular a su

superficie. En el Sistema Internacional se expresa en pascales (Pa). La atmósfera es una unidad de presión

comúnmente utilizada. Su conversión a pascales es: 1 atm 105 Pa.

Temperatura (T ó t): A nivel microscópico la temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética

que tienen las moléculas que lo constituyen. Macroscópicamente, la temperatura es una magnitud que

determina el sentido en que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el Sistema

Internacional se mide en kelvin (K), aunque la escala Celsius se emplea con frecuencia. La conversión entre las

dos escalas es: T (K) = t (ºC) + 273.

En la siguiente figura se ha representado un gas encerrado en un recipiente y las variables termodinámicas que

describen su estado.

Cuando un sistema se encuentra en equilibrio, las variables termodinámicas están relacionadas mediante una

ecuación denominada ecuación de estado.

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Variables extensivas e intensivas

En termodinámica, una variable extensiva es una magnitud cuyo valor es proporcional al tamaño del sistema

que describe. Esta magnitud puede ser expresada como suma de las magnitudes de un conjunto de

subsistemas que formen el sistema original. Por ejemplo la masa y el volumen son variables extensivas.

Una variable intensiva es aquella cuyo valor no depende del tamaño ni la cantidad de materia del sistema. Es

decir, tiene el mismo valor para un sistema que para cada una de sus partes consideradas como subsistemas

del mismo. La temperatura y la presión son variables intensivas

Función de estado

Una función de estado es una propiedad de un sistema termodinámico que depende sólo del estado del

sistema, y no de la forma en que el sistema llegó a dicho estado. Por ejemplo, la energía interna y la

entropía son funciones de estado.

El calor y el trabajo no son funciones de estado, ya que su valor depende del tipo de transformación que

experimenta un sistema desde su estado inicial a su estado final.

Las funciones de estado pueden verse como propiedades del sistema, mientras que las funciones que no son

de estado representan procesos en los que las funciones de estado varían.

El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios

de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las transformaciones de

energía. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes más importantes de la ciencia.

Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define como la parte del universo

objeto de estudio. Un sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina

de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc.

El sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo (denominado alrededores del

sistema) por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema objeto de estudio sería, por

ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores

pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (diatérmicas).

Los sistemas termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos.

Sistema aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.

Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su

masa permanece constante).

Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores.

En la siguiente figura se han representado los distintos tipos de sistemas termodinámicos.

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Cuando un sistema está aislado y se le deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que las variables

termodinámicas que describen su estado no varían. La temperatura en todos los puntos del sistema es la

misma, así como la presión. En esta situación se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico.

Equilibrio termodinámico

En Termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las variables

intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo.

Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del

sistema. Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben

tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. Cuando un sistema cerrado está en equilibrio,

debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.

Equilibrio térmico: la temperatura del sistema es la misma que la de los alrededores.

Equilibrio mecánico: la presión del sistema es la misma que la de los alrededores.

A partir de la lectura da respuesta a los siguientes cuestionamientos.

1.- ¿Cuáles son las variables termodinámicas o variables de estado?

2.- ¿Cuáles son las variables de un gas y en qué consisten?

3.- ¿Explica en que consiste la ecuación de estado?

4.- ¿Cuáles son las variables extensivas e intensivas?

5.- Anota un ejemplo de función de estado en termodinámica

6.- ¿Por qué se dice que el calor y el trabajo no son funciones de estado?

7.- ¿A qué se le llama sistema termodinámico?

8.- Investiga a que se refiere con un sistema adiabático e isocòrico.

9.- Como pueden ser los sistemas termodinámicos y en qué consisten cada uno.

10.- ¿Cuándo se dice que un sistema termodinámico están en equilibrio?

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3.2. TRABAJO TERMODINAMICO

El cilindro de la siguiente figura contiene un gas encerrado por un pistón o embolo. Para comprimir el gas se

debe aplicar una fuerza a éste el cual al recorrer una cierta distancia disminuirá el volumen del gas, realizando

un trabajo de compresión. El valor del trabajo realizado puede calcularse de acuerdo con la siguiente formula:

T = P (Vf – Vi)

DONDE: T=Trabajo J P = Presión N/m2 Vf = Volumen final

m3 Vi = Volumen incial m3

Ejemplo:

Calcular el trabajo realizado al comprimir un gas que está a una presión de 2.5 atmosferas desde un volumen

inicial de 800 cm3 a un volumen final de 500 cm3. Expresar los resultados en J.

4.3 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Establece que: la temperatura es una propiedad que posee cualquier sistema termodinámico y existirá equilibrio

termodinámico en dos sistemas cualesquiera, si su temperatura es la misma.

Nota: Es importante señalar que 1 cal = 4.2 J y 1 J = 0.24 cal

4.4 PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Esta ley aplicada al calor, da como resultado el enunciado de la primera ley que dice: la variación de la

energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ello en forma de calor y

de trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

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Matemáticamente se expresa:

U = Q –W

Dónde: U = Variación de la energía interna del sistema cal o J

Q = Es el calor que entra al sistema cal, J es negativo cuando sale del y positivo cuando entra

W = Es el trabajo en cal o J , es positivo si el sistema realiza trabajo y negativo si no se realiza trabajo

4.5 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Señala restricciones al decir que existe un límite en la calidad de trabajo que se puede obtener de un sistema

caliente. Existen dos enunciados que definen esta ley, uno es del físico alemán Clausius, que dice: El calor no

puede por sí mismo, sin la intervención de un agente externo, pasar de un cuerpo frío a un cuerpo caliente. El

otro enunciado es de Kelvin y dice: Es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo

calor que le suministra.

4.6 TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Fue establecida por el físico alemán Nerst y enunciada de la siguiente manera: La entropía de un sólido cristalino

puro y perfecto puede tomarse como cero a la temperatura del cero absoluto. La entropía es una magnitud física

utilizada por la termodinámica para medir el grado de desorden de la materia, y esta dependerá de si energía

térmica y de cómo se encuentran distribuidas sus moléculas. En estado sólido la entropía es menor que en

estado líquido y en éste menor que en estado gaseoso.

4.7 MAQUINAS TERMICAS

Las máquinas térmicas son aparatos que se utilizan para transformar energía calorífica en trabajo mecánico.

Existen tres clases principales de máquinas térmicas, máquinas de vapor, motores de combustión interna,

motores de reacciones. . Independiente de las clases de máquina térmica que se trate, su funcionamiento básico

consiste en la dilatación de un gas caliente que después de realizar un trabajo se enfría.

La eficiencia de una máquina térmica jamás será de un 100 % ya que de acuerdo con la segunda ley de la

termodinámica es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le

suministra. Por definición: la eficiencia o rendimiento de una máquina térmica es la relación entre trabajo

mecánico que produce y la cantidad de calor que se le suministra.

Resuelve los siguientes ejercicios.

1. ¿Cuál será la variación de la energía interna en un sistema que recibe 50 cal y además se le aplica un trabajo

de 100 J?

Nota: utiliza en Q y W el mismo tipo de unidades ya que de otra forma no se podrá resolver se tomara en cuenta

el procedimiento Respuesta = 310 J

2.- Elabora una tabla con las leyes de la termodinámica y sus característica, (ley cero, 1ra. 2da y 3ra ley)

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3.- Como funciona una maquina térmica (elabora una investigación exhaustiva)

Sobre un sistema se realiza un trabajo equivalente a 1000 J y además se le suministran 600 cal. Calcular cual

es la variación de su energía interna?

4.-Determine la variación de la energía interna de un sistema cuando al recibir 500 cal realiza un trabajo de

800 J

Bibliografía:

Alvarenga Álvares, B. (2002). Física General con experimentos sencillos, pág. 297-338. México: Oxford.

Giancoli, D. (2006). Física con aplicaciones, pág. 408-429. México: Pearson Educación.

Pérez Montiel, H. (2002). Física 2, para bachillerato general, pág. 77-93. México: Editorial publicaciones cultural.

Tippens, Paul E. (2011). Física Conceptos y Aplicaciones, pág. 301-328. México: Mc Graw Hill. Yakov,

Perelman. (1936). Física recreativa, libro 1, pág. 88-124. Moscú: Editorial Mir.