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Fecha: 11-01 Mar20, Abril 3, Mayo 8, 15, 22, 29
11-02 Abril 1, 8, 22, 29, Mayo 6, 13, 20
Propósito: Conocer las leyes de la termodinámica que permitan familiarizarse
con procesos térmicos, las propiedades y aplicaciones
Competencia: Utilizó modelos biológicos, físicos y químicos para explicar la
transformación y conservación de la energía.
Estándar: Explico la transformación de energía mecánica en energía térmica
Tema: Termodinámica
Indicadores de desempeño
Establece diferencias entre los conceptos de calor y temperatura.
Determina variaciones de longitud, área y volumen ocasionadas por cambios
en la temperatura.
Aplica las leyes de la termodinámica para calcular trabajo, energía interna y
energía calórica en un proceso determinado.
Identifica los diferentes mecanismos de transferencia de calor.
Realiza con interés las actividades propuestas en clase para apropiarse de los
temas y solucionar dudas.
Cumple con las tareas asignadas.
Momento para Comprender
Origen de la Termodinámica
Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos
empíricos que llevaron a la construcción de elementos que terminaron
siendo muy útiles para el desarrollo de la vida del hombre. Se cree que la
termodinámica es un caso muy especial debido a que s u s i n i c i o s s e
pierden en la noche de los tiempos mientras que en la
actualidad los estudios sobre el per feccionamiento de las
m á q u i n a s térmicas siguen siendo de especial importancia, más aun si
tomamos en cuenta la importancia que revisten temas de tanta
actualidad como la contaminación.
El origen fue sin
que despertara el
de agua.
lugar a dudas la curiosidad
movimiento producido por la energía del vapor
Su desarrollo fue tomando como objetivo principal el perfeccionamiento d e l a s
tecnologías aplicadas con el fin de hacer más fácil la vida del
hombre, reemplazando el trabajo manual por la máquina que
facilitaba su realización y lograba mayor rapidez, estos avances que
gravitaban d i r e c t a m e n t e e n l a e c o n o m í a , p o r e l l o e l i n i c i o
s e e n c u e n t r a e n e l bombeo de aguas del interior de las minas y el
transporte.
Más tarde se int ensificaron los esfuerzos por lograr el
máximo de rendimiento lo que llevó a la necesidad de
l o g r a r u n c o n o c i m i e n t o profundo y acabado de las leyes y
principios que regían las operaciones realizadas con el vapor.
El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de
recursos se amplía en la medida en que se incorporan
nuevas áreas como las referentes a los motores de
combustión
interna
y
últimamente
los
cohetes. La
construcción de grandes calderas para producir enormes
cantidades de trabajo marca también la actualidad de la importancia del
binomio máquinas térmicas-termodinámica.
E n r e s u m e n : e n e l c o m i e n zo s e p a r t i ó d e l u s o d e l a s
propiedades del v a p o r p a r a s u c c i o n a r a g u a d e
l a s
m i n a s ,
c o n
r e n d i m i e n t o s
insignificantes,
h o y s e t r a t a d e l o g r a r l a s m á x i m a s p o t e n c i a s c o n u n mínimo de
contaminación y un máximo de economía
http://conceptosbasicostermo.blogspot.com/2011/06/origen-de-latermodinamica.html
Momento para Aprender
Un sistema termodinámico se encuentra en una región tridimensional del
espacio, limitado (Confinado) por superficies geométricas más o menos
arbitrarias. Las superficies de frontera pueden ser reales o imaginarias, pueden
estar en reposo o en movimiento. El límite puede cambiar de forma o tamaño.
La región del espacio físico que queda afuera de las fronteras arbitrariamente
seleccionadas del sistema recibe el nombre de alrededores o ambiente.
El análisis de los procesos termodinámicos incluye el estudio de la
transferencia de masa y de energía a través de la frontera de un sistema y el
efecto de esas interacciones ejercen sobre el
sistema. Cuando la transferencia de masa a
través de la superficie limitante de un sistema
está prohibida, se dice que el sistema está
cerrado. Aunque en un sistema cerrado la
cantidad de materia es fija, se permite a la
energía franquear sus límites en forma de trabajo
y calor. La materia puede cambiar de
composición química dentro del sistema.
Es apropiado definir un sistema abierto como
aquel en el cual se permite a la masa cruzar los
límites que se hayan seleccionado; también la
energía puede hacerlo en forma de trabajo y calor”.
Calor y Temperatura
Calor es una forma de energía que se transfiere de unos cuerpos a otros, los
cuerpos ganan o ceden calor, más no lo poseen.
La temperatura es una magnitud que se relaciona con la medida de la
velocidad media con que se mueven las partículas. La temperatura no
depende del número de partículas que se mueven sino de su velocidad media:
a mayor temperatura mayor velocidad media. No depende por tanto de la masa
total del cuerpo: si dividimos un cuerpo con una temperatura "T" en dos partes
desiguales las dos tienen la misma temperatura.
Unidades de medida del calor
El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional
su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor
es la caloría (cal). La equivalencia es:
1 cal = 4,184 J
¿Cómo se transfiere o transmite el calor?
La transmisión de calor siempre ocurre desde el cuerpo más caliente al más
frío. Se puede dar por tres mecanismos: Conducción, convección y radiación.
-Conducción
El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se
llama Conducción.
En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia. Los átomos
del extremo que se calienta, empiezan a moverse más rápido y chocan con los
átomos vecinos, obteniéndose de esta manera la transmisión de calor a lo largo
del cuerpo.
La cantidad de calor que fluye a través de un sólido por unidad de tiempo, es
una característica propia de cada material y determina que tan buen conductor
de la energía es. Esta cantidad se denomina Conductividad Térmica, k y
permite clasificar los materiales como:
Conductores térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten rápidamente la
energía térmica de un punto a otro. Por ejemplo, los metales.
Aislantes térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten lentamente la
energía térmica de un punto a otro. Ejemplos: Vidrio, hielo, ladrillo rojo, madera,
corcho, etc. Suelen ser materiales porosos o fibrosos que contienen aire en su
interior.
La conductividad térmica se puede expresar mediante la siguiente relación:
∆𝑄
∆𝑡
𝑘 𝐴 (𝑇1 −𝑇2)
=
𝑒
Donde k es la conductividad, e es el espesor de la lámina
-Convección
La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un
punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido.
Al calentar, por ejemplo, agua en
un recipiente, la parte del fondo
se calienta antes, el agua se
hace menos densa y sube,
bajando la de la superficie que
está más fría y así se genera un
proceso cíclico.
A diferencia de la conducción, la
convección implica transporte de
materia y es la forma como se
propaga el calor en los líquidos y
en los gases.
-Radiación
La radiación en forma de ondas electromagnéticas es el medio a través del cual
la tierra recibe continuamente el calor producido por el sol.
Las ondas electromagnéticas son producidas por el movimiento acelerado de
cargas eléctricas, cuando estas inciden sobre un cuerpo pueden agitar las
partículas con carga eléctrica que lo forman y por lo tanto, entregarles energía
que se manifiesta por ejemplo en un aumento de temperatura.
En el vacío no puede haber transferencia de calor por conducción o por
convección, por el contrario, el mecanismo de transmisión de calor por
radiación no requiere de la presencia de materia entre los cuerpos que
intercambian calor.
Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor
sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten y todos
los cuerpos absorben radiación, pero también reflejan parte de ella. Los
cuerpos que absorben las radiaciones, pero reflejan muy pocas, se perciben
como oscuros o negros (si no reflejan ninguna). Por el contrario, los cuerpos
que reflejan las radiaciones y absorben muy pocas, se perciben como claros o
blancos (si las reflejan todas).
Efectos del Calor
El fenómeno por el cual los cuerpos aumentan de tamaño al absorber calor se
denomina Dilatación Térmica. La dilatación de los sólidos afecta a las grandes
estructuras como carreteras, vías, puentes, edificios, tuberías... Por esto, y
para evitar daños en ellas, suelen colocarse juntas de dilatación.
Por lo general, los cuerpos se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse.
Los gases se dilatan mucho, los líquidos menos, y los sólidos muy poco. No
obstante, en los sólidos grandes las dilataciones son muy importantes.
La dilatación puede ser en una dimensión, Dilatación Lineal, en dos
dimensiones, Dilatación Superficial y en tres dimensiones, Dilatación
Volumétrica
.
En general, cuando un cuerpo absorbe calor se produce un aumento en su
temperatura, mientras que si lo cede, su temperatura disminuye. La medida de
este aumento o disminución de temperatura depende de diversos factores, los
cuales se pueden analizar de la siguiente manera:



Al producir diferentes cambios de temperatura a dos masas iguales de
agua, se puede comprobar que la cantidad de calor que es necesario
suministrar es tanto mayor cuanto mayor es el cambio de temperatura.
Al aumentar la temperatura de masas diferentes de agua, se puede
comprobar que la cantidad de calor que se necesita suministrar es tanto
mayor cuanto mayor es la masa de agua.
Al producir el mismo cambio de temperatura a dos masas iguales de
sustancias diferentes, se puede comprobar que la cantidad de calor que
es necesario suministrar depende de la naturaleza de la sustancia.
A partir del último aspecto se introduce el concepto de Calor Específico, el cual
se define como la cantidad de calor que se debe suministrar a un gramo de
sustancia para que su temperatura aumente un grado centígrado.
El calor específico se mide en J/kg ºK o en cal/g ºC.
Cambios de Estado
Cada una de las sustancias que nos rodea se encuentra normalmente en un
estado físico característico, el cual depende de varios factores: el tipo de
sustancia, de la temperatura y de la presión.
Calentando o enfriando un cuerpo podemos hacer que este cambie de estado.
Mientras dura el cambio de estado la temperatura del cuerpo no varía.
Se define Calor Latente como la cantidad de calor que se debe suministrar o
retirar, por unidad de masa, para que la sustancia cambie de estado.
Ejemplo
Un cubo de hielo de 25g se saca del congelador de un refrigerador a una
temperatura de -18ºC. Calcular
a. El calor necesario para fundir el cubo de hielo
b. El calor necesario para alcanzar el punto de ebullición
Para el agua el punto de fusión es 0ºC y el calor latente de fusión es 80 cal/g,
el punto de ebullición es de 100ºC y el calor latente de ebullición 540 cal/g, el
calor específico del hielo es 0.53 cal/g ºC
Calor para fundir el hielo
Q = Calor para alcanzar 0ºC + Calor de Fusión
Q = 25g (0.53cal/g ºC) (0 – (-18)) ºC + 25g (80cal/g) = 2238.5cal
Calor necesario para alcanzar el punto de ebullición
Q = 25g (1cal/g ºC) (100 – 0) ºC = 2500cal
Calcular la cantidad de calor necesaria para que un litro de alcohol etílico que
se encuentra a 20ºC pueda ser convertido en vapor, la densidad del alcohol
etílico es 0.78 g/cm3
Punto de ebullición del alcohol etílico 78.5ºC, calor latente de ebullición
204cal/g, calor específico 0.6cal/g ºC.
Etapa Empírica
Los orígenes de la termodinámica nacen de la pura
e x p e r i e n c i a y d e hallazgos casuales que fueron perfeccionándose con el
paso del tiempo
La historia cuenta que en 1629 Giovanni Branca diseñó una
m á q u i n a capaz de realizar un movimiento en base al impulso que producía
sobre una rueda el vapor que salía por un caño. No se sabe a ciencia
cierta si l a m á q u i n a d e B r a n c a s e c o n s t r u y ó , p e r o , e s c l a r o q u e
e s e l p r i m e r intento de construcción de las que hoy se llaman turbinas de
acción.
La mayor aplicación de las posibilidades de
l a m á q u i n a consistía en la elevación de agua desde el fondo
de las minas. Por ello la primera aplicación del trabajo mediante la
fuerza del vapor cristaliza en la llamada máquina de fuego de Savery.
El sencillo dispositivo consistía en un cilindro vertical simple en el que se
mueve un pistón como consecuencia del vapor del agua calentada en el fondo
del cilindro. El vapor hace ascender el pistón, el cual era sostenido en el punto
más alto de su recorrido. A continuación se enfriaba el cilindro con lo que el
vapor condensaba, soltándose a continuación el pistón que es empujado hacía
el fondo por la presión atmosférica, funcionando principalmente con aire, más
que con presión de vapor.
La Etapa Tecnológica
El
primer
aparato
elemento
que
podríamos
c o n s i d e r a r c o m o u n a máquina propiamente dicha, por poseer
partes móviles, es la conocida como máquina de vapor de Thomas
Newcomen construida en 1712. Tomando como base la invención de
Savery construyó la primera máquina de vapor atmosférica de pistón. Utilizaba
un pistón de simple efecto: una de las caras del émbolo estaba expuesta al
exterior, a la presión atmosférica y la otra cara era la pared deslizante de un
cilindro. En él se introducía vapor que hacía avanzar el émbolo. Al final del
recorrido el cilindro se enfriaba por medio de un chorro de agua y por lo tanto el
vapor condensaba, ocupando un volumen 2700 veces inferior. El vacío creado,
"el poder de la nada" como fue llamado, no contrarrestaba la presión
atmosférica de la otra cara del émbolo y por ello la pared móvil del cilindro
retrocedía. Era este movimiento el que permitía elevar agua de una mina por
medio de una bomba de pistón. Pero su rendimiento era muy pobre, tan solo el
0.5% de la energía del combustible utilizado.
Aún con su elevado consumo de combustible y el elevado desgaste de sus
componentes, fue considerable su utilización, especialmente, en la creciente
industria textil británica.
LEYES DE LA TERNLODINÁMICA
Ley Cero
Podemos descubrir una propiedad importante del equilibrio térmico
considerando tres sistemas A, B y C; que inicialmente no están en equilibrio
térmico. Rodeamos los sistemas con una caja aislante ideal para que solo
puedan interactuar entre sí.
Separamos A y B con una pared aislante ideal, pero dejamos que C interactúe
con A y B. Esperamos que se establezca el equilibrio térmico; A y B están en
equilibrio térmico con C, pero ¿están en equilibrio térmico entre sí? Para
averiguarlo separamos el sistema C de los sistemas A y B con una pared
aislante ideal y sustituimos la pared aislante entre A y B con una conductora
que permita a A y B interactuar ¿Qué sucede?; no hay cambios adicionales ni
en A ni en B, concluimos que “si C inicialmente esta en equilibrio térmico con A
y con B, entonces A y B también están en equilibrio térmico entre sí”; este
resultado se llama Ley cero de la Termodinámica
Concluimos que dos sistemas están en equilibrio térmico si y solo si tienen la
misma temperatura.
En esto radica la utilidad de los termómetros; un termómetro realmente mide su
propia temperatura, pero cuando está en equilibrio térmico con otro cuerpo, las
temperaturas deben ser iguales.
Primera ley de la termodinámica
La energía interna es la suma de la energía cinética y potencial de las
moléculas.


La energía interna U de un sistema aumenta cuando se le suministra
calor o cuando se realiza trabajo sobre el sistema.
La energía interna de un sistema disminuye cuando el sistema cede
calor o cuando el sistema realiza trabajo sobre otro sistema.
Si Q es el calor transferido al sistema y W el trabajo realizado por el sistema, el
cambio de la energía interna del sistema se expresa como:
ΔU = Q – W (1ª Ley)
Q es positivo si el sistema recibe calor, W es positivo si el sistema realiza
trabajo.
Independientemente de los procesos que ocurran dentro de un sistema aislado,
su energía interna permanece constante. “La energía no se crea ni se destruye,
sólo se transforma”
Al calor recibido por la máquina vamos a asignarle signo positivo. Al calor
despedido por la máquina, signo negativo.
También puede ocurrir que en lugar de que la máquina realice un trabajo sobre
el medio circundante, sea el medio quien realice trabajo sobre la máquina. Ese
trabajo será negativo.
Ejemplo: En un determinado proceso, se suministra a un sistema 2000 J de
calor y al mismo tiempo se realiza un trabajo sobre el sistema de 100 J. ¿cuál
es la variación de la energía interna?
ΔU = 2000 J – (-100 J) = 2100 J
Segunda Ley de la Termodinámica
Esta ley indica la dirección en la cual se realiza espontáneamente un proceso
termodinámico “el calor no fluye espontáneamente de los cuerpos más fríos a
los cuerpos más calientes”
Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la
termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda
ley.
1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto
térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del
más frío al más cálido.
2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal
del agua requiere alguna influencia externa.
3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse,
pero el proceso inverso nunca ocurre.
4) Es probable que un jarrón caiga al suelo y se haga añicos; en cambio es
improbable que un conjunto de añicos se ensamblen espontáneamente y
armen un jarrón.
5) Las máquinas de movimiento perpetuo no pueden existir.
6) Aunque la energía se conserve... se degrada
Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que
ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre
en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la
termodinámica.
Otra forma de enunciar la segunda ley de la termodinámica “en cualquier
proceso, la entropía del universo aumenta”.



La entropía se asocia con el desorden; hay quien afirma que la entropía
es una medida del desorden presente en un sistema: y a mayor
desorden, mayor entropía.
Los aumentos de entropía se asocian a la degradación de la energía
(energía útil, que puede ser transformada en energía mecánica -por
ejemplo- se degrada a energía inútil, que aun estando, no puede ser
aprovechada).
De la entropía (como de la energía) no interesa saber cuánto vale sino
cuánto aumenta o cuánto disminuye, o si se mantiene constante.
Máquinas Térmicas
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras
formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. Existen
muchas máquinas térmicas: las locomotoras, los automóviles, las motocicletas.
Elementos de una máquina térmica
La fuente caliente, (que podría ser una caldera, o una cámara de combustión o
cualquier cosa a alta temperatura). La temperatura de la fuente es, TH.
La fuente fría, (que podría ser el medio ambiente). La temperatura de la fuente
fría es TC, con TH > TC, lógicamente.
La máquina propiamente dicha que, por lo general, funciona cíclicamente, a
régimen constante.
Una máquina térmica hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso
cíclico durante el cual se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, luego
la máquina realiza un trabajo y finalmente libera calor a una fuente a
temperatura más baja.
Por ejemplo, en un motor de gasolina, el combustible que se quema en la
cámara de combustión es el depósito de alta temperatura, se realiza trabajo
mecánico sobre el pistón y la energía de desecho sale por el tubo de escape.
QH = Calor que entra de la fuente caliente
QC = Calor cedido a la fuente fría
Durante el ciclo la energía interna final de la máquina es igual a la energía
interna inicial, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica
0=Q–W
Q es el calor neto consumido por la máquina, es decir Q = QH – QC, por lo tanto
W = Q H – QC
En la práctica se ha encontrado que las máquinas térmicas solamente
convierten una fracción del calor absorbido en trabajo. De esta observación
surge otra forma de enunciar la segunda ley de la termodinámica: no es posible
construir una máquina capaz de convertir por completo, de manera continua, la
energía térmica en otras formas de energía, lo cual conduce a la definición de
la eficiencia de un motor.
La eficiencia térmica, e (o simplemente eficiencia), de una máquina térmica se
define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante
un ciclo, se escribe de la forma:
𝑊 𝑄𝐻 − 𝑄𝐶
𝐸=
=
𝑄𝐶
𝑄𝐶
Un refrigerador es una máquina térmica que funciona en sentido inverso.
Consiste en una cámara, herméticamente cerrada, en cuya parte posterior hay
un circuito que contiene un líquido refrigerante. Este líquido se desplaza por el
circuito debido a la acción de un motor. Al llegar el líquido refrigerante al
congelador, se transforma en gas absorbiendo calor del interior del recinto.
Posteriormente el gas se comprime y vuelve a transformarse en líquido,
repitiéndose el proceso mientras el refrigerador está conectado a la red
eléctrica.
La máquina absorbe calor de una fuente fría y cede calor a una fuente caliente.
Esto solo es posible si se realiza trabajo sobre el refrigerador, pues este
proceso no sucede espontáneamente
Ejemplo
La eficiencia térmica de un motor es del 20%. Si el calor de entrada es igual al
que transfieren 750g de agua al condensarse a 100ºC. ¿Cuál es el valor del
trabajo realizado?
Calor que entra al sistema:
condensación)
m de vapor de H2O (Calor latente de
Q = 750g (540cal/g) = 405000 calorías
E=
𝑊
𝑄
= 0.2, luego
W = 0.2 (405000) = 81000 calorías = 338580 J
Momento para Aplicar
Se tiene un gas confinado en un recipiente hermético que está hecho de un
material aislante. El recipiente cuenta con un pistón móvil.
Sobre el pistón se aplica una fuerza F y este desciende una distancia d
1. En el proceso al que es sometido el sistema no hay intercambio de calor,
entonces la expresión correcta para el cambio en la energía del sistema
es
a. ΔU = -Q + F d
b. ΔU = F. d
c. ΔU = Q – F d
d. ΔU = -F d
2. El nombre que recibe el proceso descrito por el sistema es
a. Isocóro
c. Adiabático
b. Isobárico
d. Isotérmico
3. Si el gas confinado en el sistema es un gas ideal y se sabe que durante
el proceso el volumen se redujo en un 60% y que la presión se triplico,
entonces acerca de la temperatura final (Tf ) del sistema podemos
afirmar que comparada con la temperatura inicial (Ti), es
a.
15
2
Ti
b.
15
3
Ti
c.
9
5
Ti
d.
6
5
Ti
4. En un proceso isobárico, un sistema de gas ideal absorbe 35Kcal de
calor. Si la presión del gas es 4. 105 N/m2 y su volumen aumenta en
0,18m3 ¿cómo varía la energía interna?
5. Un gas absorbe 20 kcal y se expande contra una presión exterior de 1,2
atm desde un volumen de 5 litros hasta triplicar su volumen. ¿Cuál es la
variación de su energía interna?
6. Un inventor afirma haber desarrollado una máquina que extrae 25200
kcal de una fuente térmica, entrega 6500 kcal a otra fuente térmica y
realiza un trabajo de 25 k w h ¿Es posible este invento? Justifique su
respuesta.
7. Una herradura de hierro de 1.5 kg inicialmente a 600°C se deja caer en
una cubeta que contiene 20 kg de agua a 25°C. ¿Cuál es la temperatura
final? (Pase por alto la capacidad calorífica del recipiente, y suponga que
la insignificante cantidad de agua se hierve.) Cp hierro= 0,12 cal/g ºC
8. Dos trozos iguales de hierro, uno a 20ºC y el otro a 40ºC, se aumenta la
temperatura de ellos a 50ºC y 70ºC respectivamente, ¿a cuál de los dos
trozos de hierro es necesario suministrarle más calor? Explique
9. Se llenan dos pocillos con agua caliente, uno negro y otro blanco, ¿en
cuál de los dos disminuye más rápido la temperatura del agua?
10. Se prepara un baño con agua tibia a 25ºC, ¿qué cantidad de agua la
18ºC debe agregarse a 3 litros de agua a 100ºC?
11. Se introduce un trozo de cobre a 80ºC dentro de 100g de agua a 15ºC y
se observa que la temperatura final es 50ºC. Determinar la masa del
trozo de cobre. Cp para el cobre 0.09cal/g ºC
12. Se mezclan 250g de hielo a 0ºC con 250g de agua a 100ºC. La
temperatura a la cual alcanzan el equilibrio térmico es
a. 0ºC
b. Mayor que 0ºC y menor que 50ºC
c. Mayor que 50ºC y menor que 100ºC
d. 100ºC
13. Por qué el café se enfría más rápido si lo vertimos en un plato que si lo
dejamos en una taza
Se ponen en contacto una lámina de cobre de 0.2kg a 150ºC y una lámina
de aluminio de 0.15kg a 30ºC, los dos cuerpos se encuentran aislados
térmicamente del medio ambiente.
14. Se espera que después de cierto tiempo:
a. Los dos cuerpos estén a la misma temperatura
b. La temperatura del aluminio sea mayor que la del cobre
c. La temperatura del cobre sea mayor que la del aluminio
d. Las temperaturas se hayan mantenido constantes
15. Estando los dos cuerpos aislados térmicamente del medio se cumple
que:
a. El calor cedido por el cobre es mayor que el recibido por el aluminio
b. El calor recibido por el cobre es igual al cedido por el aluminio
c. El calor cedido por el aluminio es menor que el recibido por el cobre
d. El calor recibido por el aluminio es mayor que el cedido por el cobre
16. Dentro de una caja hermética, de paredes totalmente aislantes y al
vacío, se halla un trozo de hielo a -20ºC. La caja contiene una bombilla
inicialmente apagada.
Mientras la bombilla permanece apagada la gráfica que muestra la temperatura
del hielo en función del tiempo es
17. Estando el trozo de hielo a -20ºC se enciende la bombilla. A partir de
este instante, acerca de la temperatura del trozo de hielo se puede
afirmar que
a. no cambia, puesto que no hay materia entre la bombilla y el hielo para
el intercambio de calor
b. va aumentando, porque la radiación de la bombilla comunica energía
cinética a las moléculas del hielo
c. no cambia puesto que no hay contacto entre la superficie de la bombilla
y la del hielo
d. aumenta, porque la luz de la bombilla crea nueva materia entre la
bombilla y el hielo, que permite el intercambio de calor
Evaluación
Responda las preguntas 1 a 3 con la siguiente información: La siguiente tabla
muestra la densidad de una sustancia en función de la temperatura
Densidad
4
6
7 7.5 8 7.5 7 6
4
3
g/cm
Temperatura -15 -10 -5 0
5 10 15 20 25
ºC
1. El volumen en cm3 de 5Kg de esta sustancia a 5ºC es:
a. 0.625
b. 6.25
c. 62.5
d. 625
2. Con base en la información de la tabla se puede concluir que el volumen de
los 5Kg de sustancia es:
a. Mínimo cuando su temperatura es -15ºC
b. Máximo cuando su temperatura es 15ºC
c. Máximo cuando su temperatura es 5ºC
d. Mínimo cuando su temperatura es -5ºC
3. Si se toma un bloque de esta sustancia a 10ºC y se coloca en un recipiente
con agua a 20ºC, es correcto afirmar que al cabo de cierto tiempo:
a. El peso del bloque ha aumentado
b. El peso del bloque ha disminuido
c. El volumen del bloque ha aumentado
d. El volumen del bloque ha disminuido
4. Se tiene agua fría a 10ºC y agua caliente a 50ºC, si se desea tener agua a
30ºC, la proporción de agua fría: agua caliente que se debe mezclar es:
a. 1:1
b. 1:2
c. 1:4
d. 1:5
5. En la novela de Julio Verne “Viaje al centro de la Tierra”, los tres
protagonistas luego de descender más de 2 leguas (casi 11 kilómetros)
encuentran agua líquida a más de 100ºC. De las siguientes afirmaciones la
más adecuada para explicar este hecho es: a esa profundidad
a. Cambia la formula molecular del agua y por lo tanto su temperatura de
ebullición
b. Los termómetros no funcionan y por lo tanto la temperatura leída por
los protagonistas es falsa
c. El agua se ioniza y por lo tanto aumenta su temperatura de ebullición
d. La presión atmosférica es muy alta y por lo tanto aumenta la
temperatura de ebullición
6. Desde el punto de vista termodinámico, cual es la expresión correcta para
definir una máquina térmica
a. Un aparato que trabaja a temperaturas altas
b. Cualquier aparato capaz de producir calor
c. Todo aparato capaz de producir trabajo sin consumir calor
d. Todo aparato capaz de transformar calor en trabajo
En la piel tenemos sensores de temperatura, los que responden al frío se llama
corpúsculos de Krause. Son más abundantes en las yemas de los dedos, las palmas
de las manos y las plantas de los pies.
No se conoce muy bien el mecanismo de acción pero es seguro que responde más al
intercambio de calor que a la temperatura real. La sensación de caliente o frío se
adquiere justamente con la velocidad de conducción de calor.
7. De acuerdo con el texto anterior, si tenemos tres vasos con agua fría, (a la
misma temperatura), uno de aluminio, otro de loza y uno plástico, ¿cuando
tocamos los vasos sentimos alguna diferencia?, ¿por qué?
8. Se sirve chocolate caliente, en dos pocillos, uno blanco y otro negro, se
enfriará más rápido uno que otro, o es igual. Explique
Bibliografía
http://historiantes.blogspot.com/2007/03/la-mquina-de-vapor-revisar.html
http://neuro.qi.fcen.uba.ar/ricuti/No_me_salen/TERMO/index_termo.html
http://www.slideshare.net/JuanCamiloGelvezCaceres/fisica-1-hipertextoscompleto#
Fecha: 11-01 Junio 5
11-02 Junio 3
Propósito: Comprender la naturaleza y mecanismos de propagación de las
ondas
Competencia: Explico condiciones de cambio y conservación en diversos
sistemas, teniendo en cuenta transferencia y transporte de energía y su
interacción con la materia
Estándar: Establezco relaciones entre frecuencia, amplitud, velocidad de
propagación y longitud en diversos tipos de ondas.
Tema: Movimiento Ondulatorio
Indicadores de desempeño:





Establece relaciones entre frecuencia, longitud de onda y velocidad de
propagación en diversos tipos de ondas mecánicas.
Utiliza los modelos conocidos para explicar los fenómenos ondulatorios y
acústicos.
Resuelve problemas sobre frecuencia percibida por cuerpos en
movimiento relativo, aplicándolos principios del efecto Doppler.
Aplica las leyes que explican la trayectoria de los rayos luminosos al ser
reflejados y refractados, en la solución de problemas.
Usa modelos geométricos para determinar características de las
imágenes obtenidas en espejos planos y esféricos.
Momento para Comprender
Jugando con las Ondas
Los estudiantes se dividen en dos grupos A y B, cada uno de ellos a su vez se
divide en otros dos grupos para realizar las siguientes actividades:
1. El primer grupo se le pide que se unan de las manos y sin soltarse corra
en sentido frontal. Posteriormente y en fila, los estudiantes deberán
simular una ola. El segundo grupo realizará la actividad Analizando lo
Observado y al terminar, ellos ejecutarán la misma actividad y el primer
grupo será quien observa.
Realice un gráfico que muestre las dos situaciones recreadas por sus
compañeros.
Existe alguna similitud entre las dos situaciones ¿Cuál?
¿En cuál de las dos Situaciones se puede afirmar que hubo trasporte de
energía sin que exista trasporte de masa? Justifique su respuesta
¿En las dos situaciones todos los estudiantes estuvieron sincronizados?
En cuál fue más notoria la sincronización y a qué cree que se deba.
2. Con los grupos que ya están formados, se realizará una fila en donde los
estudiantes apoyan sus manos en los hombros de su compañero.
Cuando estén alineados se le pedirá al último estuante de la fila que
realice un leve empujón hacia adelante. El segundo grupo realizará la
actividad Analizando lo observado y al terminar, ellos ejecutarán la
misma actividad y el primer grupo será quien observe.
3. Se formarán parejas de trabajo y deben tener un resorte o una cuerda.
4. Posteriormente cada estudiante toma la cuerda o el resorte por sus
extremos. Uno de los estudiantes imprime un movimiento con la mano a
la derecha e izquierda y observe lo que sucede.
5. Ahora coloque sobre el suelo una curda, e imprímale un movimiento
vertical y observe lo que sucede. Al terminar las dos situaciones analice
lo observado.
Realice un gráfico que muestre las dos situaciones recreadas con la
cuerda, utilicen flechas para indicar la dirección del movimiento.
Existe alguna similitud entre las dos situaciones ¿Cuál?
Existe alguna similitud entre las actividades uno y tres ¿Cuál?
6. Socialización de la experiencia
Momento para Aprender
Si se deja caer una piedra en la superficie del agua, se observa la aparición de
ondas en el agua. La superficie del agua se ve perturbada por un movimiento
de arriba hacia abajo, en el lugar donde se ha lanzado la piedra. Este
movimiento vertical se transmite a los lugares contiguos en todas las
direcciones. De ahí la aparición de círculos centrados en la fuente (donde cayó
la piedra) y moviéndose hacia fuera. Este es un fenómeno ondulatorio,
oscilante. Por tanto, una onda no consiste en un desplazamiento horizontal de
la materia (en el sentido que hemos definido), sino en la propagación de una
perturbación en la superficie lisa del agua. El movimiento de la materia es
vertical en el ejemplo, mientras que la onda se mueve horizontalmente.
CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS
Amplitud: Corresponde a la distancia máxima que se puede separar una
partícula del medio que oscila, medida en forma perpendicular a la línea que
representa la posición de equilibrio del medio. Se mide en unidades de
longitud, preferentemente en metros.
La amplitud de una onda representa la energía que transporta una onda. La
energía y la amplitud, en este caso, son cantidades directamente
proporcionales.
Cresta: es el punto que está más alejado de la posición de equilibrio del medio
donde se propaga una onda.
El valle: también es el punto más alejado de la posición de equilibrio de una
onda, pero en el lado opuesto al lugar donde se ubican los montes o crestas.
Longitud de onda. (λ)
Corresponde a la distancia, en línea recta, entre dos puntos de una onda que
tienen la misma posición relativa. Esto ocurre, por ejemplo, entre dos crestas
sucesivas, o también entre dos valles sucesivos. Se mide en unidades de
longitud.
Periodo. (T)
Corresponde al tiempo que tarda un punto, del medio donde se propaga la
onda, en completar una oscilación. Se mide en unidades de tiempo.
También corresponde al tiempo que tarda una onda en propagarse una
distancia equivalente a una longitud de onda.
Frecuencia (f)
La frecuencia corresponde a la cantidad de oscilaciones que ocurren en una
unidad de tiempo. Si la unidad de tiempo es el segundo (s), la frecuencia se
mide en Hertz, que se abrevia Hz.
Entre periodo y frecuencia hay una relación matemática, y es:
T=
1
𝑓
Velocidad de propagación. (v)
Representa la distancia que recorre una onda en cada unidad de tiempo, se
determina con la relación:
λ
v=𝑇
1
Y, como T = , la velocidad también se puede determinar con la relación:
𝑓
v=λf
CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS
Las ondas se clasifican según distintos criterios como:
El tipo de perturbación
Las ondas mecánicas: son perturbaciones materiales o mecánicas como un
golpe, una ruptura o una vibración. Su característica principal es que para
propagarse necesitan de un medio material que puede ser un sólido, un líquido
o un gas. Ejemplo: una onda sísmica necesita un medio sólido (tierra) para
propagarse. El sonido también se propaga, pero su medio normal es el
gaseoso (aire)
Ondas electromagnéticas: las perturbaciones son de origen eléctrico y
magnético. Las antenas emisoras de radio y televisión son de este tipo. La
principal característica de este tipo de onda es que se propagan en el vacío,
pero también lo pueden hacer en un medio material. Ejemplo: la luz visible (en
la foto), los rayos X y microondas.
La velocidad de propagación de una onda en una cuerda depende de la tensión
y de la masa por unidad de longitud (densidad lineal)
v=√
𝑇
𝑚/𝑙
Ejemplo.
Una cuerda se somete a una tensión de 25N, su masa es de 100g y su longitud
es de 2.5m. Determinar:
-velocidad de la onda
-La longitud de onda, si la frecuencia es de 5 Hz
Una cuerda de 18m de largo, se divide en 6 segmentos y con cinco de ellos se
forma una cuerda más gruesa. Las dos cuerdas, la delgada y la gruesa, se
someten a la misma tensión y se genera en cada una de ellas 20 vibraciones
en 10 segundos. Determinar en cuál de las dos es
La dirección de vibración
Las ondas transversales: las partículas se mueven cíclicamente de arriba a
abajo. La dirección en que vibran las moléculas del medio material por el que
se propaga es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda.
Ejemplo: ondas superficiales en el agua, cuerda de guitarra.
Ondas longitudinales: Estas hacen vibrar a las moléculas del medio en la
misma dirección en que se propagan. Ejemplo: sonido emitido por platillos de
una batería. Estas perturbaciones hacen que las moléculas de aire oscilen en
la misma dirección en que se propaga el sonido, las producidas en un resorte
cuando se comprime o se estira, las ondas sísmicas
El sentido de propagación
Ondas viajeras: la onda se propaga partiendo de una fuente y recorre grandes
distancias. Ejemplo una onda de radio.
Ondas estacionarias: se forman cuando una onda viajera se refleja invertida
respecto de la onda incidente, en un extremo de un medio dado. En este caso
ambas ondas se superponen, originando una onda que pareciera estar fija.
Ejemplo: una cuerda de guitarra, flautas, el flameo de una bandera.
Las ondas estacionarias no se propagan libremente sino que están confinadas
en una región del espacio.
Ondas armónicas: Los pulsos que producen la vibración se suceden con un
período fijo, es decir, están espaciadas con igual intervalo de tiempo. A este
tipo de ondas se le denominaba periódicas.
Bibliografía
http://www.hverdugo.cl/conceptos/conceptos/caracteristicas_de_las_ondas.pdf
http://fisica1m.blogspot.com/2009/05/clasificacion-de-las-ondas.html