TERMODINÁMICA
Es la rama de la física que se encarga de estudiar al calor como tipo de energía y su conversión en trabajo mecánico
Calor: es el tipo de energía asociada al movimiento de las partículas que forman un cuerpo
Q=80
Temperatura: es el promedio de la energía cinética de las partículas que forman un cuerpo
T=10
Escalas termométricas
Existen 3 escalas para medir la temperatura.
1. La escala Celsius que asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas
dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.
2. En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius
3. La escala Fahrenheit establece como las temperaturas de congelación y ebullición del agua, 32 °F y 212 °F, respectivamente. El método de definición es similar al utilizado para el grado Celsius (°C).
Existen 2 expresiones que nos permiten convertir estas escalas termométricas
T F=95
T C+32…(1 )
T K=T C+273.. (2 )
T k=temperatura kelvin=[ K ]
T F=temperatura Fahrenheit= [° F ]
T c=temperatura celcius=[°C ]
Equilibrio térmico: se dice que un sistema esta en equilibrio térmico, cuando todos los elementos que lo forman se encuentran a la misma temperatura
LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
“ el calor es un tipo de energia que se puede transferir y esta siempre lo hara del cuerpo con mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, hasta alcanzar el equilibrio térmico”
Mecanismos de transferencia de calor
El calor es un tipo de energía que se puede transferir y según la ley cero de la termodinámica esta lo hará desde el cuerpo a mayor temperatura hacia el cuerpo con menor temperatura mediante alguno de los siguientes mecanismos
Conducción: es el mecanismo de transferencia de calor presente en los sólidos. está basado en la propagación de una onda vibracional entre los átomos que forman la red cristalina de un solido
Convección: es el mecanismo de transferencia de calor en fluidos. Este consiste en el desplazamiento por sustitución entre moléculas altamente energéticas y moléculas poco energéticas en los fluidos
Radiación: es el mecanismo de transferencia de calor que usa ondas electromagnéticas para la excitación de los átomos que forman a los cuerpos
CALOR ESPECÍFICO
(CAPACIDAD TÉRMICA ESPECÍFICA)
Es la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de un gramo de sustancia en un grado Celsius
ce=Q
m(T f−T o)
ce=c alor especifico=[ calgr ° C ]
Q=Calor=[cal ]
m=masa=[kg ]
T f =temperatura final=[°C ]
T o=temperatura inicial=[° C ]
Caloría: es la cantidad necesaria para incrementar en un grado celcius la temperatura de un gramo de agua.
LEYES DE LA TERMODINÁMICA
Primera ley: “en todo proceso térmico el incremento de energía interna de un sistema es igual al calor proporcionado menos el trabajo realizado por el sistema”
Segunda ley: “no existe maquina térmica capaz de convertir totalmente el calor en trabajo mecánico ni trabajo mecánico en calor. Siempre hay perdidas”
Tercera ley: “la entropía de todo solido cristalino es nula en el cero absoluto de la temperatura”
Primera ley de la termodinámica
∆U=Q−W
Segunda ley de la termodinámica
e=Qe−Qs
Qe ; e=
WQe
e=eficiencia [ad ]
Qe=calor deentrada [cal ]
Qs=calor de salida [cal ]
W =trabajo= [J ]
∆ U=En egiainterna=[J ]
Gas ideal
En todo proceso térmico sobre un gas ideal las variables termodinámicas (presión volumen y temperatura) se encuentran relacionadas mediante la expresión
ideal
PV =nRT
P=Presion=[Pa ]
V=volumen=[m3 ]
n=¿demoles= [mol ]
T=temperatura=[K ]
Ley de Boyle-Mariotte
“en todo proceso térmico en el que la masa y la temperatura permanezca constantes el volumen es inversamente proporcional a la presión ”
P1V 1=P2V 2
Ley de Charles
“en todo proceso térmico en el que la masa y la presion permanezcan constantes la temperatura es directamente proporcional al volumen ”
V 1
T 1=
V 2
T2
Ley de Gay- Lussac
“en todo proceso térmico en el que la masa y el volumen permanezcan constantes la temperatura es directamente proporcional a la presión ”
P1
T1=
P2T 2
P1=presion inicial=[ Pa ]
P2=presion final=[Pa ]
V 1=Vol .inicial=[m3 ]
V 2=Vol . final=[m3 ]
T 1=Temp .inicial=[ K ]
T 2=Temp . final=[ K ]
FLUIDOS
Un fluido es un cuerpo en el cual las moléculas que lo forman tienen la libertad de moverse dentro del mismo cuerpo. En otras palabras los líquidos y gases son considerados como fluidos.
Densidad
es la cantidad de materia por unidad de volumen que tiene un cuerpo.
Matemáticamente
ρ=mV
m=masa=[kg ]
V=Volumen=[m3 ]
ρ=densidad= kgm3
Presión(mecánica)
Es la fuerza aplicada por unidad de área. Matemáticamente
P= FA
F=Fuerza=[N ]
P=Presion=[Pa ]
A=area=[m2 ]
Presión (hidrostática)
Es la presión que experimenta un cuerpo cuando se encuentra sumergido dentro de un fluido. Matemáticamente.
P= ρ gh
P=Presion=[Pa ]
h=altura=[m ]
g=gravedad=[ ms2 ]
ρ=densidad= kgm3
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Es la presión que experimenta la superficie de la tierra, debida a la capa de aire que la
rodea
Barómetro de mercurio
Es un dispositivo que nos ayuda a medir la presión atmosférica, u funcionamiento está basado en el principio de equilibrio traslacional
La presión que ejerce la columna de mercurio es igual a la presión que ejerce la atmosfera por lo cual el mercurio se encuentra en equilibrio asi la atura de la columna de mercurio es de 760mmHg lo cual nos dice que la presión es de
patm=760mmHg=1.013 x105=1atm
Principio de Arquímedes
“Todo cuerpo sumergido en un fluido experimente una fuerza de empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado por el volumen del cuerpo”. Matemáticamente
E=ρ gV c
E=empuje=[ N ]
g=gravedad=[ ms2 ]
δ=densidad= kgm3
V c=Vol .del cuerpo=[m3 ]
principio de pascal
“La presión aplicada en un punto de un fluido incompresible se distribuye con la misma intensidad atravez de todo el fluido”
Una aplicación del principio de pascal es la prensa hidráulica que nos permite amplificar una fuerza
Matemáticamente tenemos:
F1A1
=F2
A2
F1=fuerzamayor= [N ]
F2=fuerzamenor= [N ]
A1=areamayor= [m2 ]
A2=area menor=[m2 ]
Gasto hidráulico
Es el volumen (fluido) por unidad de tiempo que atraviesa cierta región del espacio
Matemáticamente
G=Vt=Av
G=gasto=[ m3
s ]t=tiempo=[ s ]
V=volumen=[m3 ]
v=gasto=[ms ]A=area=[m2 ]
PRINCIPIO DE CONTINUIDAD
El gasto hidráulico es una cantidad invariante ante cualquier transformación espacial
A1 v1=A2 v2
A1=areainicial=[m2 ]
A2=area fina l=[m2 ]
v1=vel . inicial=[ms ]
v2=vel . final=[ms ]
Cuando se tienen más de 2 tubos se consideraran todas las entradas igual a todas las salidas
A1 v1+ A2 v2=A3 v3
Teorema de Bernoulli
El teorema de Bernoulli afirma que la energía de un fluido en cualquier momento, ya sea líquido o gas, consta de tres componentes:
° Cinético: energía debida a la velocidad que tiene el fluido. ° Potencial gravitacional: energía debido a la altura que tenga el fluido ° Energía de flujo: energía debido a la presión que tiene el fluido
Este teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo.
P1+12
ρ v12+ ρgh1=P2+
12
ρ v22+ ρgh2
La ecuación de Bernoulli también nos dice que si reducimos el área transversal de una tubería
para que aumente la velocidad del fluido, se reducirá la presión.
Tubo de Venturi
Estos tubos sirven para medir la diferencia de
presión entre el fluido que pasa a baja velocidad por una entrada amplia comparada con el fluido que pasa por un orificio de menor
diámetro a alta velocidad.
Electromagnetismo
Es la rama de la física que se encarga de estudiar los fenómenos producidos por cuerpos eléctricamente cargados
Carga eléctrica: es la propiedad física asociada con la saturación o déficit de partículas cargadas (electrones) en la materia
Ley de coulomb
“La fuerza de interacción entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al inverso del cuadrado de la distancia que las separa”
F=Kq1q2r2
F=Fuerza=[N ]
r=distancia=[m ]
q1 , q2=cargas=[C ]=coulomb
F=Fuerza=[N ]
K=cte de Coulomb
K=9 x109 N m2
C2
Campo eléctrico
Es la región del espacio que rodea a una carga eléctrica. Es esta la región en donde
una segunda partícula cargada interactuara con la primera.
Campo eléctrico de una carga positiva. Por convención las líneas de campo salen de una carga positiva
Campo eléctrico de una carga negativa. Por convención las líneas de campo entran a una carga positiva
Dipolo eléctrico normal
Dipolo eléctrico anómalo 1
El campo eléctrico es una magnitud física que es cuantizable y esta se puede calcular con las expresiones
E=Fq
; E=Kq1r2
E=campo electrico=[ NC ]
r=distancia=[m ]
q1 , q2=cargas=[C ]
F=Fuerza=[N ]
K=cte de Coulomb
K=9 x109 N m2
C2
Electrodinámica
Electrodinámica: es la rama de la física que se encarga de estudiar los fenómenos producidos por los cuerpos cargados cuando se encuentran en movimiento.
Potencial eléctrico (voltaje): es el trabajo por unidad de carga necesario para desplazar una particular cargada dentro de un campo eléctrico
Intensidad de corriente: es la cantidad de carga por unidad de tiempo que atraviesa cierta región del espacio. Matemáticamente
I=Qt
I=corriente electrica= [ A ]=ampere
Q=cargaelectrica=[C ]
t=tiempo=[ s ]
Resistencia eléctrica: es la oposición que tienen los cuerpos (materiales) al libre flujo de electrones
Ley de ohm
“la corriente que circula atravez de un material conductor es directamente proporcional al voltaje aplicado en los extremos del conductor”
V=RI
V=voltaje= [V ]
R=resistencia=[Ω ]
I=intensidad=[ A ]
Ley de joule
“la potencia de disipación de todo material (energía eléctrica en forma de calor) es proporcional a la corriente (flujo de electrones) que circula atravez del material
P=VI
P= pot . electrica=[W ]
V=voltaje= [V ]
I=intensidad=[ A ]
Circuitos eléctricos
Circuito en serie
Un circuito en serie es aquel en el que los elementos se encuentran conectados uno tras otro y solo los extremos están conectados a la fuente de voltaje
Propiedades:
Req=R1+R2+R3
V=V 1+V 2+V 3
I=I 1=I 2=I3
Resolver un circuito significa encontrar el valor de todos los voltajes, las resistencias y todas las corrientes dentro del circuito
Circuito en paralelo
Un circuito en serie es aquel en el que todos los elementos se encuentran conectados a la fuente de voltaje
Propiedades:
Req=1
1R1
+ 1R2
+ 1R3
…
V=V 1=V 2=V 3
I=I 1+ I 2+ I3
Resolver un circuito significa encontrar el valor de todos los voltajes, las resistencias y todas las corrientes dentro del circuito
Campo magnético
Es la región del espacio que rodea a una partícula cargada cuando se encuentra en movimiento
Alambre recto
B=μo I2πR
Espira circular
B=μo I2 r
Bobina circular
B=N μo I2r
B=campomagnetico [T ]
μo=cte de permiabilidad
I=intensidad=[ A ]
r=radio deespira= [m ]
R=distanciaradial=[m ]
Fuerza magnética
La fuerza que experimenta una partícula cargada dentro de un campo magnético es proporcional a la velocidad de la partícula
F=qvBsenθ
Leyes de Maxwell
1°ley (ley de gauss)
“el flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada el proporcional a la carga total encerrada por la superficie”
2° ley (ley de gauss para el magnetismo)
“el flujo de campo magnético a través de una superficie cerrada es nulo” en consecuencia no existen los mono polos magnéticos
3° ley (ley de Faraday)
“la variación temporal de todo campo magnético induce una fuerza electromotriz)”
4°ley (ley ampere)
“el flujo de toda carga eléctrica induce un campo magnético”
ONDASOnda
Es una perturbación a través de un medio material o electromagnético, las ondas al propagarse no transportan materia solo transportan energía.
Clasificación de la Ondas
Las ondas al igual que cualquier fenómeno se pueden clasificar a partir de distintos criterios, las ondas en particular se clasifican a partir de 2 criterios, estos son:
I. Según su Naturaleza
a) Ondas Mecánicas: Son todas aquellas ondas que necesitan de un medio material para propagarse y existir.
b) Ondas Electromagnéticas: Son todas aquella ondas que no necesitan de un medio material para propagarse y existir, pueden hacerlo incluso en el vacío.
II. Según su Oscilación.
a) Ondas Transversales: Son todas aquellas ondas en las que la dirección del movimiento oscilatorio, de las partículas del medio por el cual se propaga la onda, es perpendicular (forma un ángulo de 90º) a la dirección de propagación de la onda.
b) Ondas Longitudinales: Son todas aquellas ondas en las que la dirección del movimiento oscilatorio, de las partículas del medio por el cual se propaga la onda, es igual a la dirección de propagación de la onda
elementos de una onda
Cresta: es la parte más elevado de una onda.
Valle: es la parte más baja de una onda.
Amplitud: es la máxima elongación, es decir, el desplazamiento desde el punto de equilibrio hasta la cresta o el valle.
Longitud de onda (l): es la distancia comprendida entre dos crestas o dos valles.
Período (T): el tiempo transcurrido para que se realice una onda completa.
Frecuencia (f): Es el número de ondas que se suceden en la unidad de tiempo.
Todas las ondas tienen una velocidad de propagación finita., en cuyo valor influyen las fuerzas recuperadoras elásticas del medio y determinados factores de la masa del medio: la densidad lineal en las cuerdas; la profundidad del agua bajo la superficie, o el coeficiente adiabático, la masa molecular y la temperatura en el caso de la propagación del sonido en un gas.
En todos los casos la velocidad es constante y, como siempre, será:
Propiedades de las Ondas:
Reflexión y Refracción:
Las ondas pueden cambiar de dirección dentro de un mismo medio cuando inciden sobre la superficie de separación de dos medios, este fenómeno se llama reflexión, en la reflexión se cumple que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión:
θi=θr
También puede ocurrir que al pasar las ondas de un medio a otro cambie su dirección, este fenómeno se llama refracción y va siempre acompañado de un cambio de la velocidad de propagación de la onda.
En la refracción se cumple la ley de snell:
n1 sin θ1=n2sin θ2
Difracción:
Este fenómeno se produce cuando un obstáculo impide el avance de una parte de un frente de onda. Según el principio de Huygens, cada punto alcanzado por la onda se comporta como un nuevo punto emisor de ondas, de esta forma se explica que las ondas logran bordear el obstáculo y propagarse detrás.
Para que se aprecie bien este fenómeno el tamaño del obstáculo no debe ser muy superior a la longitud de onda
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