FISICA 2

domingo, 21 de noviembre de 2010

Actividad de leboratorio

Actividad: "Conversión de trabajo en calor."

Material:

Cautín, madera, metal, piedra, taladro con broca, termómetro.

Procedimiento:

A.- Colocar la broca al taladro y aplicar durante dos minutos la acción de taladrar a la madera, el metal y la piedra.

B.-Medir la temperatura después de los dos minutos en cada caso.

C.-Dibujar sobre la madera un motivo para grabarlo con el cautín.

Equipo	Temperatura madera	Metal	Piedra
1	10⁰C	19⁰C	17⁰C
2	16⁰C	19⁰C	18⁰C
3	17⁰ C	19 ⁰C	16⁰ C
4	15⁰C	19⁰C	17⁰C
5	18⁰C	19⁰C	17⁰C
6	18^OC	19⁰C	18.5⁰C

Graficar los datos para cada material (equipo-temperatura).

Conclusiones:

El taladro produce un trabajo y al aplicarlo sobre estas tres superficies se trasformo en calor, el metal al ser el mejor conductor, es el de la temperatura más alta con 19°C y le siguen la madera y la piedra cuyas mediciones fueron my variables,

Gracias a esta actividad pudimos observa cómo se transforma el trabajo en calor en una superficie

Maquinas termicas y eficiencia de maquinas ideales

maquinas termicas:
Las máquinas térmicas son máquinas de fluido compresible:

En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica.

En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina.

Tal distinción es puramente formal: Los motores térmicos, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica. Losciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las máquinas térmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente .

Motoras: volumetricas---> alternativas (maquina de vapor)
                                         rotativas (motor rotativo de aire caliente)
               turbomáquinas--> turbinas
Generadoras: volumétricas--> alternativas (compresor de embolo)
                                                rotativas (compresor rotativo)
                       turbomáquinas-> turbocompresores

practica de: Aplicaciones de las formas de calor: conducción, convección, radiación.

Evaporación en el metal de la parafina: 2:41 s
Evaporación en el metal naranja: 2:52 s
Temperatura inicial del agua con acerrín: 17°C

1° minuto: 34°
2° minuto: 46°
3° minuto: 54°
4° minuto: 64°
5° minuto: 73°
6° minuto: 81° ---------> empezó a dar vueltas el acerrín
7° minuto: 89°
8°minuto: 94---->temperatura final

17 vueltas por minuto dio el radiometro.

Primera Ley de la Termodinámica

El primer principio de la termodinámica o primera ley de la termodinámica,^[1] se postula a partir del siguiente hecho experimental:

En un sistema cerrado adiabático (aislado) que evoluciona de un estado inicial $\mathcal{A}$ a otro estado final $\mathcal{B}$ , el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.

Más formalmente, este principio se descompone en dos partes;

El «principio de la accesibilidad adiabática»
El conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder un sistema termodinámico cerrado es,adiabáticamente, un conjunto simplemente conexo.
y un «principio de conservación de la energía»:
El trabajo de la conexión adiabática entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.

Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción másica, interacción mecánica e interacción térmica). En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como energía interna.
Se define entonces la energía interna,

U

,como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno:

$\Delta U = + \ W$

Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabático, la variación de la Energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior. La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interacción térmica. Se define entonces la cantidad de energía térmica intercambiada Q (calor) como:

$Q = \Delta U - W\,$

Esta definición suele identificarse con la ley de la conservación de la energía y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Es por ello que la ley de la conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica:

La variación de energía de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajointercambiados por el sistema con sus alrededores.

En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:

$\Delta U = Q + W\,$

donde:

$\Delta U\,$ es la variación de energía del sistema,

$Q\,$ es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas, y

$W\,$ es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores

cambios de energía interna por calor y trabajo

Energía InternaPara comprender los fenómenos térmicos es necesario imaginar los cuerpos materiales como almacenes de partículas dotadas de movimiento de diferentes tipos: vibración, rotación y traslación. Cada uno de estos movimientos pueden ser transferidos a otra partícula que no lo tenga, mediante algún tipo de interacción, como por ejemplo choques o acciones ejercidas a distancia. Se dice en estos casos que las partículas tienen energía, la cual puede ser aumentada o disminuida, aumentando cualquiera de estos tipos de movimientos o todos a la vez.

La Energía Total de un objeto material depende del número de partículas que tenga, de la energía cinética de cada una de ellas y de la energía proveniente de las interacciones entre ellas. Esta energía total es la Energía Interna que tiene el cuerpo.

Esto quiere decir que un objeto material tiene mucha energía interna por tres razones: o porque tiene muchas partículas o átomos componentes, o porque sus átomos o partículas componentes tienen una energía muy alta., o ambas cosas a la vez, como ocurre en el caso de una estrella.

Calor? Cuando se transfiere energía de un cuerpo a otro porque las temperaturas de los cuerpos son diferentes se dice que se ha transferido energía calórica o calor. La energía calórica o calor fluye de los cuerpos más calientes hacia los más fríos. Para entender cómo ocurre esto, es necesario apoyarse en el concepto de Temperatura.
Actualmente se habla de calor en Física solamente en aquellos casos donde se transfiere energía por diferencia de temperatura, las otras situaciones donde se produce calentamiento hay que explicarlas sin uso del término calor, como es el caso del calentamiento del clavo por efecto del martilleo sobre él.
Variación de la energía interna efectuando trabajo mecánico. Otra forma de calentar o enfriar un cuerpo es por medio del trabajo mecánico, ejemplos de esto ocurren cuando nos frotamos las manos para calentarlas, cuando nos lanzamos por un tobogán largo, cuando se martilla un clavo, cuando se pule la superficie de un carro y un sin número de otras experiencias donde los cuerpos se calientan por el mero roce entre sus partes, pero en ninguno de esos casos, el calentamiento de los cuerpos ocurre por el contacto con una fuente a más alta temperatura.
Se habla de trabajo mecánico porque se aplica una fuerza sobre los cuerpos y se produce un desplazamiento de ellos a consecuencia de esa fuerza. El Trabajo mecánico se mide a través del producto de la componente de la fuerza que actúa en un cuerpo en la dirección del desplazamiento, multiplicada por el desplazamiento, es decir: *Trabajo = Fuerza D Desplazamiento** Donde Fuerza D, es la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento.
	Para entender cómo ocurre la transferencia de energía, es necesario imaginar las superficies de los cuerpos en contacto y pensar que las partículas o átomos de una superficie están interactuando con los átomos de la otra, transfiriéndose así el movimiento producido por las fuerzas que actúan sobre ambos materiales. En estos casos la energía interna de ambos cuerpos aumenta porque aumentó su temperatura, es decir aumentó la energía de sus partículas, a consecuencia del roce entre los cuerpos.

Recapitulación 12

El martes 26 elaboramos una práctica en la sala TELMEX, la cual me sirvió puesto que reforce mis conocimientos hacerca del MRU, y como fue en computadora, no me pareció burrida.

El jueves 28 realizamos una práctica en el laboratorio sobre conducción, convección y radiación que son formas de transferencia de energía y el profesor nos explico como es cada proceso.

Aplicaciones de las formas de calor: conducción, convección, radiación.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN

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 lamecánica 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 alaire situado por encima.

TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN

La teoría estadística de la radiación representó un enorme papel en el desarrollo de la teoría cuántica. La teoría electromagnética clásica de la luz, que había explicado un amplio círculo de fenómenos vinculados con la propagación de la luz, y que había logrado aceptación general a fines del S. XIX, a principios del S. XX se encontró con dificultades insuperables en relación con el problema de la emisión de la luz y, en particular, con el de la radiación térmica. Entendemos por radiación térmica toda la radiación emitida por un cuerpo calentado.

Como es sabido, el carácter de la luz emitida y, en particular, su intensidad, como también la dependencia de ésta respecto de la frecuencia (composición espectral de la radiación) están determinados por la temperatura y la naturaleza del cuerpo emisor.

Sin embargo, hay un caso en que la composición espectral de la radiación es independiente de la naturaleza del emisor y viene determinada exclusivamente por su temperatura. Se trata de la llamada radiación de equilibrio.

Imaginemos una cavidad cerrada, con paredes que no dejan pasar el calor y mantenidas a una determinada temperatura T. Las paredes de la cavidad emitirán y absorberán ondaselectromagnéticas.

Dado que toda la radiación electromagnética se encuentra confinada en la cavidad cerrada, al cabo de un cierto tiempo se establecerá en el sistema un estado de equilibrio estadístico. Las paredes de la cavidad emitirán, por unidad de tiempo, la misma energía electromagnética que absorben. En la cavidad existirá un sistema de ondas electromagnéticas estacionarias que no variarán con el tiempo.

La densidad de energía del correspondiente campo electromagnético dentro de la cavidad se expresa como:

La radiación térmica contendrá diferentes frecuencias. La densidad de energía que corresponde a un intervalo de frecuencias dado dv, será distinta, evidentemente, para las diferentes frecuencias. La densidad de energía de la radiación de frecuencia dada dependerá también de la temperatura T de las paredes emisoras. De esta manera,

Un simple razonamiento termodinámico prueba si embargo, que es independiente de la naturaleza del emisor, en particular, de las paredes (de las propiedades absorbentes y emisoras, del estado de la superficie, etc.).

Consideremos, en efecto, dos cavidades cuyas paredes se calientan hasta la misma temperatura, pero constituidas por materiales distintos. Supongamos que la densidad de la energía espectral de la radiación dependa de la naturaleza del emisor y sea diferente en una y otra cavidad. Entonces, poniendo en comunicación ambas cavidades, es posible romper el equilibrio. La radiación pasará a aquella cavidad en la que su densidad sea menor. Como resultado de esto, la densidad de radiación de dicha cavidad crecerá, las paredes de la misma absorberán más energía, y su temperatura se elevará. Entre las paredes de ambas cavidades se establece una diferencia de temperaturas que se puede utilizar para obtener trabajo útil.