PRIMER APARTADO.
1. COCHECITO A VAPOR.
2. El objetivo de este Proyecto es demostrar las transformaciones de la energía, desde la química hasta la cinética pasando por diferentes procesos.
El carrito de este
experimento tiene una lata metálica que hace el papel de una caldera, dentro de
ella, el vapor producido al hervir el agua presiona en todas las direcciones;
pero mientras las presiones superior e inferior se equilibran entre sí, la presión
sobre la pared lateral no tiene presión contraria que la equilibre y empuja al
carro hacia adelante.
A pesar de que las primeras
investigaciones sobre la máquina de vapor, anteriores al 1700, estuvieron
dedicadas exclusivamente al desarrollo de barcos y vehículos autopropulsados,
las primeras aplicaciones prácticas, aparecidas a partir de 1712.
Se le atribuye a Ferdinand Verbiest,
la fabricación de lo que pudo haber sido el primer automóvil impulsado por
vapor en 1672, aunque existe muy poca información concreta sobre ello.
En 1801, Richard Trevithick
construyó un vehículo experimental impulsado por vapor (Puffing Devil),
equipado con una cámara de combustión, dentro de la propia caldera y un
cilindro vertical.
Su peso era de 1520 kg, con carga
completa, y podía desarrollar una velocidad de 14,5 km/h (9 mph), en llano.
Durante su primer viaje, fue desatendido y “autodestruido”.
Para el uso de la máquina de vapor
en vehículos de transporte terrestre, requería una reducción considerable de
tamaño (y de peso). Esto hizo que se desarrollasen máquinas, capaces de
trabajar con vapor a más alta presión, con todos los peligros que eso
conllevaba, debido a la frágil tecnología utilizada en las calderas. Un fuerte
opositor al vapor de alta presión fue James Watt quien, junto con Matthew
Boulton, hizo todo lo posible para disuadir a William Murdoch en el desarrollo
y posterior patente de su vehículo a vapor, construido formalmente en 1784.
Este experimento este basado en la
primera ley de la termodinámica la cual establece que “la energía no se crea ni se
destruye, solo se transforma”. Esto quiere decir qué si se realiza trabajo
sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del
sistema cambiará.
La energía térmica es la energía
contenida dentro de un sistema y que es responsable de su temperatura. La
energía térmica siempre se ha relacionado con el calor y, de hecho, el calor es
el flujo de esa energía térmica.
Este tipo de energía es la más
antigua que usamos y una de las más importantes, no solo para la producción de
electricidad, sino en general. De hecho, hay toda una rama de la física, la
termodinámica, que estudia cómo se transfiere el calor entre sistemas y el
trabajo que se realiza en el proceso.
3. INTRODUCCIÓN.
La termodinámica, la palabra
deriva del griego thermos (calor) y díamis (capacidad, fuerza y potencia),
surgió como una generalización de los estudios realizados entre la energía
mecánica y el calor intercambiados por las máquinas térmicas, y de ahí el
nombre de la disciplina. Sin embargo, poco a poco su campo de aplicación se fue
ampliando hasta abarcar todos los procesos en los que exista alguna transformación
de energía, sea esta del tipo que sea. Esta se divide en dos tipos la
termodinámica estadística y termodinámica clásica.
La
termodinámica estadística nos
permite relacionar las propiedades de molécula individuales con las de un gran
conjunto de ellas teniendo como objetivo los valores promedio de las cantidades
relevantes.
La
termodinámica clásica
es una rama de la física que se encarga del estudio de sistemas macroscópicos
para los cuales los efectos térmicos son importantes. En ella se estudian las
leyes que detalladamente explican las transformaciones de energía, la dirección
de los procesos de transferencia de calor, la entropía y la disponibilidad
(exergía) de la energía para hacer trabajo.
4. ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA FÍSICA QUE CONTRIBUYERON CON LA TERMODINÁMICA.
La termodinámica se originó
durante el siglo XIX y es consecuencia de la Revolución Industrial. Es un
conjunto de leyes y conceptos que tienen una aplicabilidad universal en la
descripción del comportamiento de los sistemas macroscópicos. Ahora sabemos que
el origen de dichas leyes, así como sus regularidades, provienen del hecho de
que la materia está constituida por átomos y moléculas.
La termodinámica permite el análisis
de procesos naturales y artificiales, por ejemplo, todo organismo vivo requiere
un suministro continuo de energía para mantenerse vivo. Una gran parte de los dispositivos
bioquímicos de las células se encargan de adquirir y transformar energía.
Casi todas las actividades
realizadas por el ser humano involucran transformaciones de energía. Para su
estudio, la termodinámica se apoya en la ley cero, la primera, la segunda y la
tercera ley de la termodinámica.
Entre las aplicaciones de la física
que pueden ser analizadas por la termodinámica destacan: las plantas de
generación de potencia eléctrica, sistemas de calefacción y de refrigeración,
celdas de combustible, aerogeneradores, centrales mareomotrices, turbinas,
procesos de combustión, automóviles y transformaciones de energía de diversos
sistemas biológicos, entre otras.
Referencias.
Romero, V. (2014, 3 de abril).
Termodinámica. Recuperado de
https://www.fisica.unam.mx/personales/romero/TERMO2014/TERMO-NOTAS-2014.pdf
Geofrik. (2014). Leyes de la
termodinámica. Recuperado de
https://geofrik.com/2014/01/29/leyes-de-la-termodinamica/#comments
Bonet, J. (2014). Breve historia de
la máquina de vapor. Recuperado de
https://joanbonetm.wordpress.com/2018/06/14/breve-historia-del-vehiculo-a-vapor/
SEGUNDO APARTADO.
Trabajo: en general se fine como el efecto de una fuerza F que actúa a lo largo de un
desplazamiento. La fuerza y el desplazamiento son cantidades vectoriales, sin embargo, el
trabajo es una cantidad escalar expresada como: W = F•d
En termodinámica el trabajo se define como la interacción de energía a través de las fronteras de
un sistema y sus alrededores, y es equivalente al efecto de una fuerza que actúa a lo largo de una
distancia.
Energía: se define como una cantidad física escalar que es una propiedad de los sistemas. La
definición más simple dice que la energía es la capacidad de realizar trabajo; por lo tanto, la energía total de un sistema es la cantidad total de trabajo que este realice sobre los alrededores en
jolues.
En un sistema termodinámico, la energía total del sistema E no puede definirse de una manera
simple. Sin embargo, las partes que la componen sí pueden definirse. Es decir, la energía total de
un sistema es la suma de las magnitudes de diferentes formas de energía (cinética, potencial,
molecular, química, molecular, etcétera).
Calor: es la energía en tránsito a través de un sistema termodinámico debido a la diferencia de
temperatura que existe entre un sistema y el medio que lo rodea o sus alrededores; para
representarlo se utiliza la letra Q.
La transferencia de calor se puede dar por cualquiera de sus tres diferentes mecanismos:
conducción, conversión o radiación, por una combinación de estos.
El equilibrio térmico: es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las
cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas. Una vez que las
temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado
equilibrio término.
Termodinámica: la palabra deriva del griego thermos (calor) y díamis (capacidad, fuerza y
potencia), surgió como una generalización de los estudios realizados entre la energía mecánica y
el calor intercambiados por las máquinas térmicas, y de ahí el nombre de la disciplina. Sin
embargo, poco a poco su campo de aplicación se fue ampliando hasta abarcar todos los procesos
en los que exista alguna transformación de energía, sea esta del tipo que sea. Esta se divide en
dos tipos la termodinámica estadística y termodinámica clásica.
REFERENCIA:
Barbosa Saldaña, J. y Gutiérrez Torres, C. (2016). Termodinámica para ingenieros, Grupo Editorial Patria. https://elibro.net/es/lc/ulsaoaxaca/titulos/40432
TERCER APARTADO
La relación entre calor y trabajo
Se presenta cuando existen interacciones entre el sistema y sus alrededores y ambos son
funciones de trayectoria. Esto significa que sus valores dependen no solo de los estados iniciales
y finales, sino también del proceso.
Por las características antes descritas de las diferencias de calor y trabajo, no es posible
representar el calor o el trabajo realizado entre dos estados termodinámicos como AW o AQ,
sino que es necesario utilizar w o , lo cual nos representa el trabajo realizado por o sobre 12 Q12
el sistema entre los estados 1 y 2 y el calor transferido hacia o desde el sistema entre los estados
1 y 2.
El equivalente mecánico del calor
Se denomina equivalente mecánico del calor a la
relación entre el trabajo realizado y el calor que puede producir: 1 cal= 4,18
J; o también 1 J= 0,24 cal.
Este ejemplo de intercambio entre
calor y trabajo como agentes que añaden energía a un sistema, nos puede ayudar
aclarando algunos conceptos erróneos sobre el calor. En un pequeño artículo de
Mark Zemansky titulado "Uso y mal uso de la palabra 'calor' en la
enseñanza de la Física". La idea clave de este ejemplo es que, si se nos
presenta un gas con una temperatura alta, no podemos decir si alcanzó esa
temperatura alta por calentamiento, por ejercer trabajo sobre él, o una
combinación de los dos.
En la descripción de la energía que
tiene un objeto a alta temperatura, no es correcto el uso de la palabra calor
para decir que el objeto "posee calor" - es mejor decir que el objeto
posee energía interna, como resultado de su movimiento molecular.
El segundo principio de la
termodinámica establece que, si bien todo el trabajo mecánico puede
transformarse en calor, no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico.
La primera ley de la termodinámica
establece la relación que guardan el trabajo, el calor y la energía interna de
un sistema según la expresión ΔU=Q+W (ó ΔU=Q−W. Como vemos, a la luz del primer
principio, siempre que se mantenga constante la energía interna de un sistema
es posible transformar el trabajo en calor. También sería, en teoría, posible
transformar todo el calor en trabajo. Sin embargo, la experiencia nos dice que
no es así.
La naturaleza impone una dirección
en los procesos según la cual es posible transformar todo el trabajo de un
sistema en calor, pero es imposible transformar todo el calor que tiene en
trabajo.
La relación entre calor y temperatura
Calor y temperatura son dos conceptos diferentes, pero estrechamente relacionados. Observa que
tienen diferentes unidades: la temperatura típicamente tiene unidades de grados Celsius o Kelvin
y el calor tiene unidades de energía, Joules.
ANTECEDENTES HISTÓRICOS.
La relación entre el calor y el trabajo y la introducción del concepto de
energía.
La crítica del conde de Rumford sobre la naturaleza sustancial del calórico fue
continuada ya en el siglo XIX en un clímax científico y social muy diferente donde se
buscaban explícitamente relaciones entre la mecánica, el calor, la electricidad y la
química. En efecto, los problemas de la mecánica para explicar las limitaciones del
principio de conservación de la ‘fuerza viva' (energía cinética) de Gottfried Wilhelm
Leibniz (1646-1716), en particular, cuando había choques inelásticos en los que
desaparecía la energía cinética y aparecía simultáneamente calor y, de otra, el
problema de la naturaleza del calor, hizo que se buscaran relaciones entre los
fenómenos mecánicos y térmicos que explicaban estas dos ciencias. Por otro lado, se
estaba en plena revolución industrial donde era fundamental optimizar el rendimiento
mecánico de las máquinas térmicas que quemaban carbón. Es en esta época donde
jugarán un papel fundamental ingenieros industriales como Sadi Carnot (1796-1832)
e investigadores como James Prescott Joule (1818-1881) y Julius Robert Mayer (1814-
1878).
En este contexto, hay que recordar que después del establecimiento del concepto
actual de trabajo realizado por un grupo de ingenieros franceses entre los que figuran
H. Navier (1785-1836), G. Coriolis (1792-1843) y J. V. Poncelet (1788-1867), la
principal preocupación fue saber qué era el calor para aprovecharlo en la posibilidad
de hacer trabajo. Así Sadi Carnot publica en 1824 su trabajo, Reflexions sur la
puissance motrice du feu et sur les machines propres à augmenter cette puissance,
donde trata de mejorar el rendimiento de la "potencia motriz del fuego" en las
máquinas térmicas. En este trabajo habla de "calor" cuando se refiere al proceso de
transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro que está a diferente
temperatura. En cambio, reserva la palabra "calórico" para designar a lo que hoy
denominamos como "energía interna" del sistema material por estar a una
temperatura dada. Esta última idea significaba aceptar que el calor está asociado al
movimiento de las partículas inherente al modelo corpuscular de la materia. Sin
embargo, Carnot parte de la teoría del calórico para llegar a la expresión del
rendimiento de las máquinas térmicas. El renombrado "teorema de Carnot" expresaba
que el trabajo máximo realizado por una máquina térmica es función de la cantidad de
calórico y de las temperaturas del foco caliente y del frío entre los que trabajaba la
máquina. El calor intercambiado entre los dos focos se aprovechaba para producir
trabajo y la cantidad de calor que pasa de un foco al otro se mantiene constante. En
este trabajo se llegaba a la conclusión de que no podía aprovecharse todo el calor de
la fuente caliente para convertirlo en trabajo.
Es a principios de los años 1840 cuando Joule y Mayer establecen una relación
cuantitativa de equivalencia entre el trabajo y el calor, y comienza a introducirse el
concepto de energía diferenciándolo de fuerza y a abandonarse el modelo del calórico.
Es interesante recordar que la principal obra de Mayer, Comentarios sobre las fuerzas
(energías) de naturaleza inorgánica apareció en Annalen der Chemie und Pharmacie y
tenía como objetivo explicar porque el calor específico a volumen constante de los
gases era menor que el calor específico a presión constante. Esta explicación consistía
en aceptar que en la expansión térmica de un gas a presión constante, el calor
suministrado en exceso se convertía en trabajo hecho por el gas al expansionarse
contra la presión atmosférica (Arons, 1970). Basándose en esta relación Mayer obtuvo
en 1840 un valor del equivalente mecánico del calor que resultó muy semejante al
obtenido posteriormente por Joule por diferentes métodos eléctricos y mecánicos ya
conocidos (1843). En la enseñanza habrá que prestar suficiente atención a esta
realización de trabajo cuando interaccionan mecánicamente un sistema (como, por
ejemplo, el gas cerrado en una jeringa a presión) y un segundo sistema como, por
ejemplo, el medio atmosférico que también está empujando.
Es en esta década de 1840 cuando la ciencia deriva de la relación entre trabajo y
calor, por primera vez, el concepto de energía como una función general de los
sistemas que les permite hacer trabajo. Definición limitada, de entrada, a la ‘fuerza
viva' (energía cinética) y a los cambios mecánicos y que, irá evolucionando hasta
llegar a definirla como la capacidad de los sistemas para hacer transformaciones -en
particular, haciendo trabajo y/o transfiriendo calor- según el primer principio de la
termodinámica. El concepto energía se convierte en estructurante pues sirve para
explicar, en general, las diferentes interacciones que se habían ido introduciendo por
las distintas ciencias (mecánica, electricidad, magnetismo y química) y cualquier tipo
de cambio.
En esta nueva ciencia se aplica la teoría matemática de los campos -ya ideada en
1811 por Siméon-Denis Poisson (1781-1840), entre otros- primero al caso del campo
vectorial de fuerzas eléctricas -que había iniciado en 1825 intuitivamente de manera
geométrica Michael Faraday (1791-1867)- y, después, a los otros tipos de
interacciones. A estos campos de fuerzas se asociaban los respectivos campos
escalares correspondientes a las diferentes magnitudes que se introducen (energías
potenciales gravitatoria, elástica y eléctrica, energías magnética y química). Las
transformaciones de unas formas de energía en otras en un sistema aislado o entre
sistemas que interaccionan condujo al establecimiento del principio de conservación de
la energía formalizado en 1847 por Hermann von Helmholtz (1821-1894), iniciándose
así el origen de la termodinámica como síntesis de las dos ciencias, la mecánica y el
calor. Sin embargo, quedaban problemas teóricos por resolver. Así, en 1849, William
Thomson, lord Kelvin (1824-1907), hace patente la contradicción entre los resultados
expuestos por Carnot y los dados por Joule. Éste demostraba que el calor se podía
producir de manera inagotable haciendo un trabajo de fricción y que por lo tanto la
energía se degradaba, mientras que Carnot suponía que el calórico siempre se
conservaba. En el fondo, se estaba planteando el conflicto entre la teoría del calórico,
en la que se basaba Carnot y la teoría cinética del calor, defendida por Joule y los
científicos contemporáneos.
Esta controversia fue resuelta en 1850 por Rudolf Clausius (1822-1888). Además, el
nacimiento de la teoría daltoniana hizo más aceptable la idea de considerar el calor
como una forma de energía, como la energía cinética asociada al movimiento de las
moléculas de la materia. Así, en su memoria publicada en Poggendorff's Annalen,
Clausius analiza la relación entre el trabajo y el calor realizado sobre un sistema y
cómo es necesario introducir el concepto de energía interna que será la que variará en
estas interacciones mecánica y térmica entre este sistema y otro externo. Esta
relación fue considerada como la primera ley mecánica del calor. Así pues, los
resultados del estudio de Carnot se considerarán válidos pero modificando la hipótesis
de la conservación del calórico por el principio de conservación de la energía total en
un sistema aislado.
REFERENCIAS:
Barbosa Saldaña, J. y Gutiérrez Torres, C. (2016). Termodinámica para ingenieros, Grupo Editorial Patria. https://elibro.net/es/lc/ulsaoaxaca/titulos/40432
Florencia, U. (2011). Definición de Equilibrio Térmico. Recuperado de
https://www.definicionabc.com/ciencia/equilibrio-termico.php
Furió-Gómez, Cristina y Solbes, Jordi y Furió-Mas, Carles (2007). La historia del primer principio de la termodinámica y sus implicaciones didácticas. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, 4 (3), 461-475. [Fecha de Consulta 10 de Febrero de 2021]. ISSN:. Disponible en: https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=920/92040306
CUARTO APARTO.
Existe una relación lineal entre las temperaturas en
grados Celsius y Fahrenheit. Si cuando C=0°, F=32° y cuando C=100°, F=212°,
entonces:
1.-Identifica los datos.
C= 0° = F= 32°
C= 100° F= 212°
2.- Calcule
la pendiente.
m= 212°- 32°
100° - 0°
m= 1.8°
|
3.- Interprete la pendiente de acuerdo al problema.
|
Ya
que la pendiente es positiva la curva es creciente.
|
4.- Obtenga la función lineal que expresa los grados
Fahrenheit en términos de los grados Celsius. y=mx+b F=1,8°C+32
|
5.-Realiza en un plano cartesiano la ubicación de los
datos identificados, posteriormente traza la recta que pasa por los 2 puntos.
Para ello realiza lo siguiente:
|
i.
Interprete
gráficamente la pendiente.
ii.
¿A qué
temperatura Fahrenheit corresponden 20° C.
|
Existe una relación lineal entre las temperaturas en
grados Celsius y Kelvin. Si cuando C=0°, K=273° y cuando C=100°, K=373°,
entonces: 1.-Identifica los datos. C= 0°, K= 273° C= 100° K= 373°
2.- Calcule
la pendiente. m= 373° - 273° 100° - 0°
m= 1°
3.- Interprete la pendiente de acuerdo al problema.
La variación que
tiene la pendiente de los grados Celsius a kelvin equivale a 1°
4.- Obtenga
la función lineal
que expresa los grados
Kelvin en términos de los grados Celsius. C-273 = (K-0)
C = K+273
6.-Realiza en un plano cartesiano la ubicación de los datos identificados, posteriormente traza la recta que pasa por los 2 puntos.
Para ello realiza
lo siguiente: Teniendo la gráfica de la recta que pasa por los dos puntos dados, responder lo siguiente: i. Interprete gráficamente la pendiente. ii. ¿A qué temperatura Kelvin corresponden 150°C?
150° C + 273.15 = 423.15 K 150° C = 423.15 K
ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA TERMODINÁMICA.
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