FÍSICA II
Correo: maestromemo@gadi.edu.mx
Realizar Portada de la Materia, con Porcentajes de Evaluación Establecidos.
UNIDAD I: FLUIDOS EN REPOSO Y EN MOVIMIENTO
Objetivo: Resolverá problemas relacionados con la hidráulica, a partir del conocimiento y uso correcto de sus conceptos y sus modelos matemáticos, aplicados en diversos fenómenos físicos observables en su vida cotidiana; mostrando actitudes de interés científico en un ambiente de cooperación, responsabilidad y respeto hacia sus compañeros.
FLUIDOS
Los fluidos son sustancias que ceden inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma, con los que fluyen y se adaptan a la forma del recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene una superficie límite definida. En contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo su densidad. A veces resulta difícil distinguir entre sólidos y fluidos, porque los sólidos pueden fluir muy lentamente cuando están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en los glaciares.
Realizar portada con Porcentajes de Evaluación.
PARTICIPACIÓN 1:
En Clase.
1.- Resolver los siguientes ejercicios de Volumen.
Resolver los siguientes ejercicios y copiar los ejemplos, en la libreta de apuntes.
Inicio Clase 2, 3/Septiembre/2025
PARTICIPACIÓN 2
1.- Un objeto tiene una masa de 555 gramos y un volumen de 25 cm3. ¿Cuál es su densidad?
2.- Un objeto tiene una masa de 1 kilogramo y un volumen de 150 cm3. ¿Cuál es su densidad?
3.- Un objeto tiene una masa de .3 kilogramo y un volumen de 65 cm3. ¿Cuál es su densidad?
4.- ¿Cuál es la masa de 55 cm3 de a) Oxigeno b) Aluminio y c) Vidrio?
5.- : ¿Cuál es el volumen de 333 gramos de: a) Hielo, b) Oro y c) Cobre?
TAREA 2: Copiar los puntes siguientes, para la clase 3 e investigar los temas al final de los apuntes.
Realizar lo siguiente.
Investigar la definición descriptiva y describir con dos ejemplos de aplicación, con imágenes, de los siguientes temas:
1.- Presión
2.- Densidad
3.- Presión Atmosférica
4.- Presión Hidrostática
5.- Principio de Pascal
6.- Principio de Arquímides
7.- Descarga de Fluidos
8.- Ecuación de Continuidad
9.- Trabajo
10.- Teorema de Bernoulli
11.- Teorema de Torricelli
Fin Clase 2, 3/Septiembre/2025
Inicio Clase 3, 10/Septiembre/2025
Ejemplo 1: Presión Hidrostática
Ver los videos de apoyo y copiar los ejemplos, a la libreta de apuntes.
https://www.youtube.com/watch?v=1wCEmTgWQLw
https://www.youtube.com/watch?v=kIYwRzwPLCc
https://www.youtube.com/watch?v=1wCEmTgWQLw&t=24s
https://www.youtube.com/watch?v=uQ6Jz5B3kbs&t=1s
Resolver los siguientes ejercicios.
1. Un cilindro metálico de 80 kg, 2 m de altura y 25 cm de radio de cada base. Si una de sus bases está en contacto con el suelo. ¿Qué presión ejerce el cilindro sobre el suelo?
2. ¿Qué tan alto subirá el agua por la tubería de un edificio si el manómetro que mide la presión del agua indica que es de 270 kPa al nivel del piso?
3. Un barril se abrirá cuando en su interior la presión manométrica sea de 350 kPa. En la parte más baja del barril se conecta un tubo vertical. El barril y el tubo se llena de aceite (ρaceite = 890 kg/m3). ¿Cuál es la altura máxima del tubo sin que el barril se rompa?
4. Un cilindro sólido de aluminio (ρalum = 2700 kg/m3) “pesa” 67 gr en el aire y 45 gr cuando se sumerge en trementina. Hallar la densidad de la trementina.
5. Una pieza de aleación “pesa” 86 g en el aire y 73 g cuando está sumergida en agua. Calcular su volumen y densidad.
6. Una espuma de plástico (ρ = 580 kg/m3) se usa como salvavidas. ¿Qué cantidad del plástico en volumen se usará para sostener en la superficie a un hombre de 80 kg (ρ = 1040 kg/m3).
Fin Clase 3, 10/Septiembre/2025
Inicio Clase 4, 17/Septiembre/2025
Cuestionario Parte A
En Classroom.
Fin Clase 4, 17/Septiembre/2025
Inicio Clase 5, 24/Septiembre/2025
PARTICIPACIÓN 5
EL CAMPO MAGNETICO
CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE
(C.A.)
EL GENERADOR ELÉCTRICO: BREVES CONSIDERACIONES TEORICAS.
Llevo a cabo sus experimentos sobre calor en su laboratorio domestico, y para asegurar la exactitud de sus mediciones se vio forzado a desarrollar su propio sistema de unidades. Su fama fue principalmente por haber hecho mas que cualquier otra persona para establecer la idea de que el calor es una forma de energía. Durante la mayor parte de su vida Joule fue un científico aficionado aislado, pero en sus últimos años se reconoció su trabajo en doctorados honorarios de Dublín y Oxford. En su honor la unidad de energía se llama Joule.
TEMPERATURA
Mediante el contacto de la epidermis con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor. Los conceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecer con la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano del hombre. Lo que se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación experimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea la temperatura, se trata sólo una apreciación muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para efectuar esta última se utilizan otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles. Temperatura es, entonces, la cantidad de calor que posee un cuerpo.
Con muy pocas excepciones todos los cuerpos aumentan de volumen al calentarse y diminuyen cuando se enfrían. En caso de los sólidos, el volumen suele incrementarse en todas las direcciones se puede observar este fenómeno en una de ellas con experiencia del pirómetro del cuadrante. Éste consta de una barra metálica apoyada en dos soportes, uno de los cuales se fija con un tornillo, mientras que el otro puede deslizarse y empujar una palanca acodada terminada por una aguja que recorre un cuadrante o escala cuadrada. Cuando, mediante un mechero, se calienta fuertemente la barra, está se dilata y el valor del alargamiento, ampliado por la palanca, aparece en el cuadrante.
La dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmica de los cuerpos, que permite llegar a la noción de la temperatura. La segunda magnitud fundamental es la cantidad de calor que se supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse, respectivamente.
La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura aumente en un número de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor específico de la sustancia de que está constituido. Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que son próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y otro situado a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conducto del calor es dicho cuerpo.
Se desprende de lo anterior que el estudio del calor sólo puede hacerse después de haber definido de una exacta los dos términos relativos al propio calor, es decir, la temperatura, que se expresa en grados, y la cantidad de calor, que se expresa en calorías.
CALOR
http://www.monografias.com/trabajos24/energia-calor/energia-calor.shtml
Para la física, es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en debido a una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo. Existen una serie de conceptos relacionados con el calor, entre los que podemos encontrar:
o Energía Interna: cantidad total de todas las clases de energía que posee un cuerpo, las cuales se pueden manifestar según las propiedades de éste. Por ejemplo, un metal que posee varios tipos de energía (calórica, potencial gravitacional, química…), puede manifestar la que suscite al momento; si éste es alcanzado por un rayo, esa energía es la que manifestará.
o Caloría: es una antigua unidad que sirve para medir las cantidades de calor. La caloría-gramo (cal), suele definirse como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua, por ejemplo, de 14,5 a 15,5 °C. La definición más habitual es que 1 caloría es igual a 4,1840 joules. En ingeniería se emplea la caloría internacional, que equivale a 1/860 vatios/hora (4,1868 J). Una caloría grande o kilocaloría (Cal), muchas veces denominada también caloría, es igual a 1.000 calorías-gramo, y se emplea en dietética para indicar el valor energético de los alimentos.
o Calor Específico: es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.
o Dilatación térmica: Aumento del volumen de los cuerpos al calentarse. Es mayor en los gases que en los líquidos y reducida en los sólidos. Además varía según la composición química de los cuerpos.
CALORIMETRÍA
Según las teorías que iniciaron el estudio de la calorimetría, el calor era una especie de fluido muy sutil que se producía en las combustiones y pasaba de unos cuerpos a otros, pudiendo almacenarse en ellos en mayor o menor cantidad. Posteriormente, se observó que, cuando se ejercía un trabajo mecánico sobre un cuerpo (al frotarlo o golpearlo, por ejemplo), aparecía calor; hecho que contradecía el principio de conservación de la energía, ya que desaparecía una energía en forma de trabajo mecánico, además de que se observaba la aparición de calor sin que hubiese habido combustión alguna. Benjamin Thompson puso en evidencia este hecho cuando dirigía unos trabajos de barrenado de cañones observando que el agua de refrigeración de los taladros se calentaba durante el proceso. Para explicarlo, postuló la teoría de que el calor era una forma de energía. Thompson no consiguió demostrar que hubiese conservación de energía en el proceso de transformación de trabajo en calor, debido a la imprecisión en los aparatos de medidas que usó. Posteriormente, Prescott Joule logró demostrarlo experimentalmente, llegando a determinar la cantidad de calor que se obtiene por cada unidad de trabajo que se consume, que es de 0,239 calorías por cada julio de trabajo que se transforma íntegramente en calor.
La Calorimetría es la rama de la termodinámica que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto.
CALOR ESPECÍFICO Y CAPACIDAD CALORÍFICA
El calor específico (s) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de una cantidad determinada de sustancia. El calor específico es una propiedad intensiva, en tanto que la capacidad calorífica es una propiedad extensiva. La relación entre la capacidad calorífica y el calor específico de una sustancia es:
C = ms
Donde m es la masa de la sustancia en gramos. Por ejemplo el calor específico del agua es 4.184 J/g . °C y la capacidad calorífica de 60 gramos de agua es:
(60.0 g)(4.184 J/g . °C) = 251 J/°C
SUSTANCIA | CALOR ESPECÍFICO (J/g.°C) |
Aluminio | 0.900 |
Oro | 0.129 |
C(grafito) | 0.720 |
C(diamante) | 0.502 |
Cobre | 0.385 |
Hierro | 0.444 |
Mercurio | 0.139 |
Agua | 4.184 |
Etanol | 2.46 |
Tabla 1. Calor específico de algunas sustancias
Si se conoce el calor específico y la cantidad de una sustancia, entonces el cambio en la temperatura de una muestra (Δt) indicara la cantidad de calor (q) que
Transferencia del Calor
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción, la cual se da por contacto directo entre las sustancias. Por ejemplo, si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura y el movimiento que los mismos átomos ejercen. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor, como lo son los metales de transición interna.
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.
• Por Radiación
La radiación presenta una diferencia respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. La única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación se comporta, a veces, como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.
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La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda.
Mediante el contacto de la epidermis con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor. Los conceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecer con la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano del hombre. Lo que se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación experimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea la temperatura, se trata sólo una apreciación muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para efectuar esta última se utilizan otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles. Temperatura es, entonces, la cantidad de calor que posee un cuerpo.
Con muy pocas excepciones todos los cuerpos aumentan de volumen al calentarse y diminuyen cuando se enfrían. En caso de los sólidos, el volumen suele incrementarse en todas las direcciones se puede observar este fenómeno en una de ellas con experiencia del pirómetro del cuadrante. Éste consta de una barra metálica apoyada en dos soportes, uno de los cuales se fija con un tornillo, mientras que el otro puede deslizarse y empujar una palanca acodada terminada por una aguja que recorre un cuadrante o escala cuadrada. Cuando, mediante un mechero, se calienta fuertemente la barra, está se dilata y el valor del alargamiento, ampliado por la palanca, aparece en el cuadrante.
Otro experimento igualmente característico es el llamado del anillo de Gravesande. Este aparato se compone de un soporte del que cuelga una esfera metálica cuyo diámetro es ligeramente inferior al de un anillo el mismo metal por el cual puede pasar cuando las dos piezas están a l a misma temperatura. Si se calienta la esfera dejando el anillo a la temperatura ordinaria, aquella se dilata y no pasa por el anillo; en cambio puede volver a hacerlo una vez enfriada o en el caso en que se hayan calentando simultáneamente y a la misma temperatura la esfera y el anillo.
La dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmica de los cuerpos, que permite llegar a la noción de la temperatura. La segunda magnitud fundamental es la cantidad de calor que se supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse, respectivamente.
La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura aumente en un número de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor específico de la sustancia de que está constituido. Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que son próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y otro situado a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conducto del calor es dicho cuerpo.
Se desprende de lo anterior que el estudio del calor sólo puede hacerse después de haber definido de una exacta los dos términos relativos al propio calor, es decir, la temperatura, que se expresa en grados, y la cantidad de calor, que se expresa en calorías.
ESCALAS
Cinco escalas diferentes de temperatura están en uso en estos días: la Celsius, conocida también como escala centígrada, la Fahrenheit, la Kelvin, la Rankine, y la escala internacional de temperatura termodinámica. La escala centígrada, con un punto de congelación de 0° C y un punto de ebullición de 100°C, se usa ampliamente en todo el mundo, particularmente para el trabajo científico, aunque que se destituida oficialmente en 1950 por la escala internacional de temperatura.
La escala Fahrenheit, usada en países de habla inglesa es usada no solo con propósitos de trabajo científico sino con otros y con base en el termómetro de mercurio, el punto de congelación del agua se define en 32° F y el punto de ebullición en 212° F. En la escala Kelvin, la más usualmente usada en escala termodinámica de temperatura, el cero se define como el cero absoluto de la temperatura, que es, -273.15°C ó -459.67° F. Otra escala que emplea el cero absoluto como su punto más bajo es la escala de Rankine, en la cual cada grado de temperatura es equivalente a un grado de la escala Fahrenheit. El punto de congelación del agua en la escala de Rankine es de 492° R, y el punto de ebullición es de 672° R.
En 1933 científicos de 31 naciones adoptaron una escala de temperatura internacional nueva con puntos adicionales fijos de temperatura, con base en la escala de Kelvin y con principios termodinámicos. La escala internacional es con base en la propiedad eléctrica de resistencia, con cable de platino como la temperatura base entre los -190° y 660° C. Arriba de los 660° C, hasta el punto de derretimiento del oro, 1063° C, se usa para puntos de temperatura mas altos, a partir de este punto las mediciones de temperatura son medidas por el llamado pirometro óptico, que usa la intensidad de luz de una onda emitida por un cuerpo caliente para el propósito.
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Pasaje de Escalas Comunes
Las dos escalas de temperatura de uso común son la Celsius (llamada anteriormente ‘’centígrada’’) y la Fahrenheit. Estas se encuentran definidas en términos de la escala Kelvin, que es la escala fundamental de temperatura en la ciencia.
La escala Celsius de temperatura usa la unidad ‘’grado Celsius’’ (símbolo 0C), igual a la unidad ‘’Kelvin’’. Por esto, los intervalos de temperatura tienen el mismo valor numérico en las escalas Celsius y Kelvin. La definición original de la escala Celsius se ha sustituido por otra que es más conveniente. Sí hacemos que Tc represente la escala de temperatura, entonces:
Tc = T - 273.150
…relaciona la temperatura Celsius Tc (0C) y la temperatura Kelvin T(K). Vemos que el punto triple del agua (=273.16K por definición), corresponde a 0.010º C. La escala Celsius se definió de tal manera que la temperatura a la que el hielo y el aire saturado con agua se encuentran en equilibrio a la presión atmosférica, el llamado punto de hielo es 0.00 º C y la temperatura a la que el vapor y el agua liquida, están en equilibrio a 1 atm. de presión, punto del vapor, es de 100.00 º C.
La escala Fahrenheit, todavía se usa en algunos países que emplean el idioma ingles aunque usualmente no se usa en el trabajo científico. Se define que la relación entre las escalas Fahrenheit y Celsius es:
De esta relación podemos concluir que el punto del hielo (0.00 º C) es igual a 32.0 º F, y que el punto del vapor (100.0 º C) es igual a 212.0 0F, y que un grado Fahrenheit es exactamente igual 5/9 del tamaño de un grado Celsius.
ESTADOS DE AGRAGACION DE LA MATERIA
Los diferentes estados en que podemos encontrar la materia de este universo en el que vivimos se denominan estados de agregación de la materia, porque son las distintas maneras en que la materia se "agrega", distintas presentaciones de un conjunto de átomos. Los estados de la materia son cinco: Sólido, Líquido, Gaseoso, Plasma, Condensado de Bose-Einstein.
Los tres primeros son de sobra conocidos por todos nosotros y los encontramos en numerosas experiencias de nuestro día a día. El sólido lo experimentamos en los objetos que utilizamos, el líquido en el agua que bebemos y el gas en el aire que respiramos, en tanto que los otros son nos rodean, aunque los experimentamos de forma indirecta.
Es interesante analizar que los griegos sostenían que el universo estaba formado por cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego. Haciendo un símil, podríamos asignar un elemento físico a cada elemento filosófico:
Aire - Gas
Agua - Líquido
Tierra - Sólido
Fuego – Plasma
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Esta figura muestra los cuatro estados de la materia: sólido, líquido, gaseoso, y plasma. Si tomas al agua como un ejemplo de materia, los primeros tres estados son los siguientes: hielo, agua, vapor. El estado de plasma del agua estaría formado por núcleos de hidrógeno y electrones.
Estados comunes de Agregación de la Materia
• Estado Sólido
Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan posiciones casi fijas. En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido. Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas. Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas.
• Estado Líquido
Los líquidos, al igual que los sólidos, tienen volumen constante. En los líquidos las partículas están unidas por unas fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por esta razón las partículas de un líquido pueden trasladarse con libertad. El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene. También se explican propiedades como la fluidez o la viscosidad. En los líquidos el movimiento es desordenado, pero existen asociaciones de varias partículas que, como si fueran una, se mueven al unísono. Al aumentar la temperatura aumenta la movilidad de las partículas (su energía).
• Estado Gaseoso
Los gases, igual que los líquidos, no tienen forma fija pero, a diferencia de éstos, su volumen tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos.
En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño.
Las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades de expansibilidad y compresibilidad que presentan los gases: sus partículas se mueven libremente, de modo que ocupan todo el espacio disponible. La compresibilidad tiene un límite, si se reduce mucho el volumen en que se encuentra un gas éste pasará a estado líquido.
Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión
• Características Físicas de los Estados Comunes
Estado de Agregación | Sólido | Líquido | Gas |
Volumen | Definido | Definido | Indefinido |
Forma | Definida | Indefinida | Indefinida |
Compresibilidad | Incompresible | Incompresible | Compresible |
Atracción entre Moléculas | Intensa | Moderada | Despreciable |
Otros Estados
• Estado de Plasma o Plasmático
El plasma es un gas ionizado, esto quiere decir que es una especie de gas donde los átomos o moléculas que lo componen han perdido parte de sus electrones o todos ellos. Así, el plasma es un estado parecido al gas, pero compuesto por electrones, cationes (iones con carga positiva) y neutrones. En muchos casos, el estado de plasma se genera por combustión.
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El Sol situado en el centro de nuestro sistema solar está en estado de plasma, no es sólido, y los conocidos tubos fluorescentes contienen plasma en su interior (vapor de mercurio). Las luces de neón y las luces urbanas usan un principio similar. La ionosfera, que rodea la tierra a 70-80 km de la superficie terrestre, se encuentra también en estado de plasma. El viento solar, responsable de las deliciosas auroras boreales, es un plasma también. En realidad, el 99% de la material conocida del universo se encuentra en estado de plasma. Aunque también es verdad que sólo conocemos el 10% de la material que compone el universo. Esto significa que el escaso 105 de materia que hemos estudiado, el 99% es plasma, o sea, casi todo es plasma en el universo.
• Condensado de Bose - Einstein
En 1920, Santyendra Nath Bose desarrolló una estadística mediante la cual se estudiaba cuándo dos fotones debían ser considerados como iguales o diferentes. Envió sus estudios a Albert Einstein, con el fin de que le apoyara a publicar su novedoso estudio en la comunidad científica y, además de apoyarle, Einstein aplicó lo desarrollado por Bose a los átomos. Predijeron en conjunto el quinto estado de la materia en 1924. No todos los átomos siguen las reglas de la estadística de Bose-Einstein. Sin embargo, los que lo hacen, a muy bajas temperaturas, se encuentran todos en el mismo nivel de energía.
Cambios de Estado
Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias.
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La termodinámica se define como la ciencia de la energía. La palabra termodinámica proviene de los vocablos griegos thermos (calor) y dinamycs (potencia), que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia. Hoy en día el mismo concepto abarca todos los aspectos de la energía y sus transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia. Para ello ésta se basa en la extracción de un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable.
Ley cero de la Termodinámica: "Equilibrio de Energía"
Establece que: si un cuerpo A está en equilibrio térmico con un cuerpo C y un cuerpo B también está en equilibrio térmico con el cuerpo C, entonces los cuerpos A y B están en equilibrio térmico. Esta curiosa nomenclatura se debe a que los científicos se dieron cuenta tardíamente de la necesidad de postular lo que hoy se conoce como la ley cero: si un sistema está en equilibrio con otros dos, estos últimos, a su vez, también están en equilibrio. Cuando los sistemas pueden intercambiar calor, la ley cero postula que la temperatura es una variable de estado, y que la condición para que dos sistemas estén en equilibrio térmico es que se hallen a igual temperatura.
1ª Ley de la Termodinámica: "Ley de conservación de la Energía"
"La energía no se gana, se crea ni se destruye, sólo se transforma. El universo conserva la energía: si hay un incremento en la energía interna de un sistema, debe haber un descenso equivalente en la energía de su entorno, y viceversa."
Las primeras máquinas térmicas construidas, fueron dispositivos muy eficientes. Solo una pequeña fracción del calor absorbido de la fuente de la alta temperatura se podía convertir en trabajo útil. Aun al progresar la ingeniería, una fracción del calor absorbido se sigue descargando en el escape de una máquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en energía mecánica. Sigue siendo una esperanza diseñar una maquina que pueda tomar calor de un depósito abundante, como el océano y convertirlo íntegramente en un trabajo útil. Entonces no seria necesario contar con una fuente de calor con una temperatura más alta que el medio ambiente. De la misma manera, podría esperarse, que se diseñara un refrigerador que simplemente transporte calor, desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que tenga que gastarse trabajo exterior. A éstos intentos se los denominan "móvil perpetuo de primera especie".
Ninguna de estas aspiraciones ambiciosas violan la primera ley de la termodinámica. La máquina térmica sólo podría convertir energía calorífica completamente en energía mecánica, conservándose la energía total del proceso. En el refrigerador simplemente se transmitiría la energía calorífica de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que se perdiera la energía en el proceso. Nunca se ha logrado ninguna de estas aspiraciones y hay razones para que se crea que nunca se alcanzarán. Se basan en los principios de Claucius y Kelvin-Plank, de la segunda ley. Ellas eliminan la ambición de la máquina térmica, ya que implica que no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito, sin devolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a una temperatura más baja.
2ª Ley de la Termodinámica: "Ley de Entropía"
Es la más universal de las leyes físicas; e introduce una definición de una propiedad llamada entropía. "La entropía de un sistema aislado aumenta con el tiempo o, en el mejor de los casos, permanece constante, mientras que la entropía del universo, como un todo, crece inexorablemente hacia un máximo". La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. En su interpretación más general, establece que cada instante el Universo se hace más desordenado. Hay un deterioro general hacia el caos. Uno de los patrones fundamentales de comportamiento que encontramos en el mundo físico es la tendencia de las cosas a desgastarse y agotarse. Las cosas tienden hacia un estado de equilibrio. En todas partes podemos encontrar ejemplos de la Segunda Ley: los edificios se derrumban, la gente envejece, las montañas y las costas se erosionan, los recursos naturales se agotan.
La 2ª ley de la Termodinámica, una ley fundamental relacionada con la naturaleza del calor. La cantidad perdida no permanece solo como calor, sino que se convierte en calor a una menor temperatura, del cual solo se puede transformar en otras formas de energía una pequeña cantidad. Se podrían solucionar todos los problemas de energía de la humanidad si, por ejemplo, se pudiera extraer la energía calorífica de los océanos, dejándolos ligeramente más fríos y convirtiendo el calor extraído en electricidad, pero la 2ª ley nos dice que eso no es posible. Se los llama "móvil perpetuo de segunda especie", los cuales suponen une remota posibilidad mas grande que los de primera especie.
Definición de Clausius de la segunda ley: El calor no puede, por sí mismo, pasar de un cuerpo más frío a uno más caliente.
Definición de Kelvin-Planck de la segunda ley: Es imposible para un sistema experimentar un proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de calor de un único depósito a una única temperatura y la transformación en una cantidad equivalente de trabajo.
3ª Ley de la Termodinámica: "Ley del Cero Absoluto"
En el análisis de muchas reacciones químicas es necesario fijar un estado de referencia para la entropía. Este siempre puede escogerse algún nivel arbitrario de referencia cuando solo se involucra un componente; para las tablas de vapor convencionales se ha escogido 320F. Sobre la base de las observaciones hechas por Nernst y por otros, Planck estableció la tercera ley de la termodinámica en 1912, así: "La entropía de todos los sólidos cristalinos perfectos es cero a la temperatura de cero absoluto". Un cristal "perfecto" es aquel que esta en equilibrio termodinámico. En consecuencia, comúnmente se establece la tercera ley en forma más general, como: "La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero". El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él. La temperatura puede disminuirse retirando energía de un sistema, es decir, reduciendo la intensidad del movimiento molecular. El cero absoluto corresponde al estado de un sistema en el que todos sus componentes están en reposo. Sin embargo, según la mecánica cuántica, incluso en el cero absoluto existe un movimiento molecular fraccionario.
El calor, a través de los tiempos, con sus diferentes formas y adaptaciones (calórico, energía, fuerza vital –como mencionan los textos del Medioevo -, etc…), es, haciendo caso a los medievales, la "prima energía". Es uno de los principales motores del universo; si bien no el único, ya que comparte el puesto con la gravedad (pero, aunque hablando bien, en terminología geofísica, éste surge del calor).
En base al trabajo realizado, se pueden determinar con precisión y a manera de resumen algunos puntos básicos:
o El calor es una forma de energía que se basa en transmitir la agitación de las moléculas, ya fuere por diversos medios (conducción, convección, radiación), con el objeto de cumplir con las leyes de la termodinámica, principalmente la de entropía.
o La temperatura es la cantidad de calor que puede tener un cuerpo, y se puede medir según diferentes escalas. Las diferencias de escalas se deben solo a su campo de aplicación. Se consideran los puntos extremos a los extremos de la escala Rankine (mínima Tº: 0ºR / máxima Tº: 672ºR).
o Toda la materia, así como cualquier sustancia (menos la oscura), posee calor, o al menos energía interna. A menos qué esta este en estado de plasma o condensado de Bose – Einstein, puede sufrir modificaciones, llamas cambios de estado, y su estructura, en condiciones normales de temperatura y presión, es llamada "estados de agregación de la materia".
o En el último tema tratado, la termodinámica, sus leyes regulan toda la actividad energética, y por consiguiente biológica, del universo. Son la base de todo acto físico, y por consiguiente de todas las ciencias humanas.
Para finalizar, se podría acotar que, de esta manera, ver los frutos de todo el empeño puesto, logran que, a través de la investigación y análisis, se facilite la asimilación de conocimientos de manera práctica, creando una base de datos que acompaña a cada persona durante toda su vida.
Formulario y Ejemplos, para Participación 6
Participación 6
En Classroom.
Participación 7
En Classroom.
Tarea 7
En Classroom.
Fin Clase 7, 11/Septiembre/2023
Inicio Clase 8, 13/Septiembre/2023
Evaluación.
Fin Clase 8, 13/Septiembre/2023
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