introducción a la termodinámica 2018

Introducción a la Termodinámica

Actividad

1)Observa las siguientes imágenes, en donde las distintas esferas son calentadas hasta alcanzar los 100ºC. Ordena cada esfera según su capacidad calorífica.

2) Analiza la siguiente situación, ¿por qué en la primer situación el hielo se funde más que en la segunda si el agua está en los dos casos a90 ºC?

                                                                               

3-¿Por qué la llama de un fósforo no alcanza a fundir un trozo de hielo? Justifica

Visualiza el siguiente vídeo

Física I Lección 14D del Prof. Walter Lewin sobre Calor y diversas formas de energía, recuperado del canal Edwin Loaiza Acuna

Se discuten la energía térmica, las calorías y el calor específico. Se describe arreglo experimental de Joule para el estudio de la conversión de energía mecánica en energía térmica. Se mencionan varias fuentes de calor (incluyendo el calor del cuerpo). Se calcula la energía para calentar el agua del baño. Se discute conversión de la energía de una forma a otra, y se le pide a un estudiante convertir la energía mecánica en energía eléctrica.

Pasar a ver:

https://www.youtube.com/watch?v=gqsZZyxvcS8

Física. Paul Tippens. Cantidad de calor.  Mc Graw Hill. Recuperado de:

https://es.slideshare.net/gabocordovez/tippens-fisica-7ediapositivas17

Otra explicación.

Capacidad calorífica. Calor específico. Recuperado de:

https://www.youtube.com/watch?v=vb48Ew0q5Zw&t=149s

Calorimetría. Capacidad Calorífica y Calor Específico

Actividad:

Toma apuntes de los conceptos fundamentales para luego trabajar con el calorímetro, (simulador)

En un sentido amplio, la calorimetría se desarrolló históricamente como una técnica destinada a fabricar aparatos y procedimientos que permitieran medir la cantidad de calor desprendida o absorbida en una reacción mecánica, eléctrica, química o de otra índole. Esta disciplina, encuadrada dentro de la termodinámica, se ha especializado sobre todo, con el paso del tiempo, en la determinación del calor específico de los cuerpos y los sistemas físicos.

Capacidad calorífica

Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le aporta energía en forma de calor. El cociente entre la energía calorífica Q de un cuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el nombre de capacidad calorífica del cuerpo, que se expresa como:

La capacidad calorífica es un valor característico de los cuerpos, y está relacionado con otra magnitud fundamental de la calorimetría, el calor específico.

Caloría

Para elevar la temperatura de 1 g de agua desde 14,5 ºC a 15,5 ºC ( 1ºC) es necesario aportar una cantidad de calor igual a una caloría.  Se especifica desde 14,5 ºC a 15,5 ºC porque no es la misma cantidad de calor la necesaria para calentar 1 gramo de agua, en 1 ºC, en otros puntos de la escala. Así, de 0 ºC a 1 ºC se requieren 1,008 calorías y de 40 ºC  a 41 ºC se requieren 0,997 calorías. A los fines prácticos, sin embargo, se puede suponer que los valores son de 1 caloría para una ΔT = 1 ºC en cualquier parte de la escala. Por tanto, la capacidad calorífica ( C) de 1 g de agua es igual a 1 cal/Kelvin.

Calor específico

El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce como calor específico. En términos matemáticos, esta relación se expresa como: Ce = C/m = Q / m ΔT

Donde Ce es el calor específico del cuerpo, m su masa, C la capacidad calorífica, Q el calor aportado y ΔT el incremento de temperatura.

El calor específico es característico para cada sustancia y, en el Sistema Internacional, se mide en Julios por kilogramo y kelvin (J/(kg·K)). A título de ejemplo, el calor específico del agua es igual a:   Ce del agua = 4186 J/ kg ºC  =  1 cal / g ºC

Del estudio del calor específico del agua se obtuvo, históricamente, el valor del equivalente mecánico del calor, ya que:  1 Cal = 4,184 J, es decir  1 J = 0,24 Cal

Experimento de Joule

En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.

Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.

Descripción.

Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.

La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje.

La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción.

Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).

Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4,186 J/(g ºC). Por tanto, 4,186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4,186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.

1 cal=4,184 J

En la simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento en las poleas, etc.

• Sea M la masa del bloque que cuelga y h su desplazamiento vertical
• m la masa de agua del calorímetro
• T₀ la temperatura inicial del agua y T la temperatura final
• g=9.8 m/s² la aceleración de la gravedad

La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente ecuación.

mgh=m Ce (T-T₀)

Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).

Ce = m g h/ m ( T –T₀)

Como el calor especifico del agua es por definición Ce =1 cal/(g ºC), obtenemos la equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.

Calorimetría

La determinación del calor específico de los cuerpos constituye uno de los fines primordiales de la calorimetría.

El procedimiento más habitual para medir calores específicos consiste en sumergir una cantidad del cuerpo a una temperatura T₁ conocida, en un baño de agua de temperatura T₂ también conocida. Suponiendo que el sistema está aislado, habrá una transferencia de calor desde la sustancia más caliente a la más fría, cuando se alcance el equilibrio térmico a una temperatura T3, se cumplirá que el calor cedido por el cuerpo que estaba más caliente será igual al absorbido por el agua.

Los datos serán:

T₁: temperatura inicial del cuerpo.

T₂: temperatura inicial del agua y del recipiente (calorímetro)

T₃: temperatura de equilibrio (final) del conjunto.

m_c: masa del calorímetro

Ce_c: calor específico del material del calorímetro.

m_H2o : Masa de agua en el calorímetro.

Ce _H2o: calor específico del agua

m_cuerpo: masa del cuerpo.

Cex: calor específico del material a determinar

En el equilibrio será:  T₁ > T₃ > T₂

El calor perdido por el cuerpo: Q_perdido = m_c Ce_x (T₁ - T₃)

Mientras que el calor ganado por el agua y el calorímetro:

Q_ganado = m_H2o Ce_H2o (T₃ – T₂)+ m_c Ce_c (T₃ – T₂)

Trabajando algebraicamente: Ce_x = m_H2o Ce_H2o (T₃ – T₂)+ m_c Ce_c (T₃ – T₂)/ m_c (T₁ - T₃)

Actividad

Calorímetro

 Simulador, recuperado de:

http://www.educaplus.org/ced/calorimetro.html

Utilizando el simulador y la ecuación correspondiente, calcula el calor específico de las sustancias A y D con las siguientes condiciones:

Experimento 1: Se mezclan en el calorí­metro 60 g de sustancia A a una temperatura inicial de 96ºC con 50 g de agua a una temperatura inicial de 25 ºC.

Experimento 2: Se mezclan en el calorímetro 28 g de sustancia D a una temperatura inicial de 35 ºC con 45 g de agua a una temperatura inicial de 38 ºC.

Práctica para la clase:

1- a)Expresa la diferencia entre calor, temperatura y energía interna.

1.b) Cuatro termómetros marcan respectivamente: 1) 86K, 2) 220 ºC, 3) 224 ºF.¿En cuál es mayor la temperatura?

 2. ¿Qué cantidad de calor hay que darle a 500 g de agua para que pase de 17 a 70 ºC. Ce agua 1cal/g ºC

3. Comunicando 5000 cal a cierto cuerpo de 500 g de masa su temperatura aumenta 18 ºC. Determina su calor específico.

4-Mezclamos 800 g de un líquido A de 0,80 cal/g ºC de calor específico y temperatura inicial de 72ºC con 600 g de agua a 57ºC. ¿Cuánto vale la temperatura de equilibrio?
5- Mezclamos 584 g de una sustancia de calor específico 0,54 cal/g ºC, a la temperatura de 77ºC, con 451 g de otra sustancia, de calor específico 0,36 cal/g ºC y 55ºC de temperatura. Determina la temperatura de equilibrio de la mezcla.

6.- Un trineo de 200 kg de masa desciende, partiendo del reposo, por una pendiente de hielo de 80 m de desnivel. Al alcanzar el llano, su velocidad es de 11,11 m/s. Calcular la energía convertida en calor.

Calor latente (L ) y calor (Q) gráfico de T en función de Q entregado

http://www.educaplus.org/game/curva-de-calentamiento-del-agua

Calor Q =m Ce variación de T

https://www.youtube.com/watch?v=gqsZZyxvcS8


Calor latente y Q grafico de T en función de Q entregado
http://www.educaplus.org/game/curva-de-calentamiento-del-agua

Ley cero de la termodinámica
https://www.fisic.ch/contenidos/termodin%C3%A1mica/calor-y-temperatura/

https://www.fisic.ch/contenidos/termodin%C3%A1mica/


Calculadora de diferentes magnitudes físicas y matematicas
http://www.calculatoredge.com/chemical/specific%20heat.htm

para calcular el calor especifico (necesita jaba)
http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/calor_especifico/applet.html

calor especifico
https://www.hiru.eus/es/fisica/calorimetria-capacidad-calorifica-y-calor-especifico


calorímetro aparato funciona
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/14700584/helvia/aula/archivos/_22/html/2240/equilibrio_trmico.html


práctica
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/14700584/helvia/aula/archivos/_22/html/2240/actividades_de_repaso.html

Q ganado = Q cedido
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/calorimetro.htm

guía de tensión superficial, capilaridad, viscosidad 2018

Física

Guía de: Tensión superficial, capilaridad, número de Reynolds,  viscosidad

1)¿ Cuál es la presión manométrica en el interior de una burbuja de jabón de 2cm de radio formada por una disolución cuya  tensión superficial es 0,06 N/m? Rta: 12N/m²

2- a) La pata de un insecto parado en el agua forma una depresión de radio 2 mm y un ángulo de 40°. ¿Cuánto peso soporta esta depresión? b- ¿ Cuál es la masa del insecto, suponiendo que está siendo sostenido por igual sobre las seis patas? γ = 0,0727 N/m. Rta: 7 x 10^-4 N; 0,43 g

3-a) ¿ A qué altura h ascenderá el etanol en un capilar de 0,5 mm de radio si el ángulo de contacto es cero? B) En un experimento con un capilar de un cierto material, se obtiene que el alcohol asciende hasta una altura de 1,09 cm. ¿ Cuál es el ángulo de contacto entre el alcohol y el material del capilar? δ=791 kg/m³; γ=0,0454N/m. Rta: 1,17 cm ; 21°28’ 41’’

4- Por un tubo cilíndrico de 50 cm de longitud y 2 mm de diámetro interior circula agua, si la diferencia de presión a lo largo del tubo es de 10 cm de Hg y la viscosidad del agua es 1 cP, calcúlese la cantidad de agua que fluye por un tubo en 1 min. Rta: 627 cm³

5- Determinar el radio de una tubería 3 m de longitud con una depresión de 5 bar entre sus extremos, para que circule agua con la velocidad crítica, siendo el n° de Reynolds = 2000. ɳ del agua = 1 cP. Rta: 0,78 cm

6- Calcular la máxima velocidad que adquiere una burbuja de aire de 1 mm de radio en el seno de glicerina. δaire0,001293 g/cm³; δglicerina=1,26 g/cm³; ɳ=8,3 P. Rta: - 0,33 cm/s

7- Un bloque de hielo de 1,2 m de largo por 0,8 m de ancho es arrastrado sobre una superficie horizontal  lubricada por una capa de agua de 0,10 mm de espesor. Determine la magnitud de la fuerza que se necesita para tirar del bloque con una rapidez constante de 0,5 m/s. A 0°C, la viscosidad del agua es 1,79 x 10 ^-3 Ns/m². Rta: 8,59 N

8- Un tubo horizontal recto de 1 cm de diámetro y 50 m de longitud transporta aceite con un coeficiente de viscosidad de 0,12 Pa s. En la salida del tubo, el gasto es de 8,6 x 10^-5 m³/s y a la presión de 1 atm. Determine la presión manométrica a la salida del tubo.

9- La aorta de los seres humanos tiene un diámetro de alrededor de 2 cm y, en determinados momentos, la rapidez de la sangre que pasa por ella es de 55 cm/ s. ¿Es turbulento el flujo de sangre? La densidad de la sangre es 1050 kg/m³ y su coeficiente de viscosidad es de 2,7x 10^-3 Pa.s. Rta: 4277,7

10- a) La savia, que en verano consiste sobre todo en agua, sube en los árboles por un sistema de capilares de radio r=2,5 x 10^-5 m. El ángulo de contacto es 0°. La densidad del agua es 1000 Kg/m³.¿Cuál es la máxima altura a que puede subir la sabia en un árbol a 20°C? ; γ=7,28x 10^-2 N/m. Rta: 0,594 m

b) Como los árboles alcanzan varios metros de altura, el efecto capilar no puede explicar el suministro de savia a la copa de un árbol. ¿ Cómo se explica el ascenso de la savia en ellos?

11- Por una tubería de 1,3 cm de radio circula petróleo de densidad 0,85 g/cm³ y 11,4 cP de coeficiente de viscosidad, a una velocidad de 1 m/s. Determine el régimen con el que circula el petróleo. Rta: 1938,5

12- Por una tubería cilíndrica horizontal, de 6 cm de radio y 25 m de longitud, pasa un líquido de densidad 1076 kg/m³ y un coeficiente de viscosidad de 180 cP. Si tiene un caudal de 1 L/s. Calcular:a)N° de Reynolds, b)pérdida de presión en tal longitud, c) potencia que consumiría una bomba si hiciese circular ese caudal. Rta: 63,4; 886,6 Pa; 0,88 W

13- La arteria pulmonar conectada al corazón con los pulmones tiene un radio interno de 2,6 mm y 8,4 cm de longitud. Si la caída de presión entre el corazón y los pulmones es de 400 Pa, ¿cuál es la rapidez media de la sangre en la arteria pulmonar? ɳ=2,08 x 10^-3Pa s Rta: 1,9 m/s

14- la velocidad media de la sangre en la aorta, r=1,19cm, durante la parte estacionaria del latido del corazón es de unos 35 cm/s. ¿ El flujo es laminar o turbulento? ɳ=2,08 x 10^-3Pa/s ; δ_sangre= 1,050x 10³ kg/m³

15- Calcule l velocidad de caída de una gota de lluvia de 10^-3 cm de radio, la ɳ aire=1 x10^-3 Pa s, la densidad del agua es 1x 10³ kg/m³, la densidad del aire es 1 kg/m³. Rta: 2,18 m/s

16- La caída de presión a lo largo de una arteria horizontal es 100 Pa. El radio de la arteria es 0,010 m y el flujo es laminar. A)¿Cuál es la fuerza neta sobre la sangre en este fragmento de arteria? Si la velocidad media de la sangre es de 1,5 x 10^-2 m/s, b)¿Cuál es la potencia necesaria para mantener el flujo? Rta: 3,14 x 10^-2 N; 4,71 x 10^-4W