Fisica Mecanica

Marco Teórico

Se define como el campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería. Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables termodinámicas. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno.

Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.

Trabajo mecánico hecho por o sobre el sistema.

Consideremos, por ejemplo, un gas dentro de un cilindro. Las moléculas del gas chocan contra las paredes cambiando la dirección de su velocidad, o de su momento lineal. El efecto del gran número de colisiones que tienen lugar en la unidad de tiempo, se puede representar por una fuerza F que actúa sobre toda la superficie de la pared.

Si una de las paredes es un émbolo móvil de área A y éste se desplaza dx, el intercambio de energía del sistema con el exterior puede expresarse como el trabajo realizado por la fuerza F a lo largo del desplazamiento dx.

dW=-Fdx=-pAdx=-pdV

Siendo dV el cambio del volumen del gas.

El signo menos indica que si el sistema realiza trabajo (incrementa su volumen) su energía interna disminuye, pero si se realiza trabajo sobre el sistema (disminuye su volumen) su energía interna aumenta.

El trabajo total realizado cuando el sistema pasa del estado A cuyo volumen es VA al estado B cuyo volumen es VB.

El calor

El calor no es una nueva forma de energía, es el nombre dado a una transferencia de energía de tipo especial en el que intervienen gran número de partículas. Se denomina calor a la energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior al mismo y siempre que no pueda expresarse macroscópicamente como producto de fuerza por desplazamiento.

Se debe distinguir también entre los conceptos de calor y energía interna de una sustancia. El flujo de calor es una transferencia de energía que se lleva a cabo como consecuencia de las diferencias de temperatura. La energía interna es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura, que es esencialmente a escala microscópica la energía cinética de sus moléculas.

El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementa su energía interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su energía interna.

Cuando una sustancia incrementa su temperatura de TA a TB, el calor absorbido se obtiene multiplicando la masa (o el número de moles n) por el calor específico c y por la diferencia de temperatura TB-TA.

Q=nc(TB-TA)

Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que están en equilibrio térmico. Las moléculas individuales pueden intercambiar energía, pero en promedio, la misma cantidad de energía fluye en ambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estén en equilibrio térmico deben de estar a la misma temperatura.

Objetivos

Establecer la relación entre la dilatación de un alambre de cobre y el incremento de la temperatura.

Observar en el laboratorio la dilatación lineal, superficial y volumétrica de los cuerpos.

Preguntas y problemas

1. Definir los conceptos. Energía térmica, temperatura, escalas de temperatura, equilibrio térmico, dilatación térmica, termómetro.

2. Realiza un cuadro comparativo indicando las diferencias entre dilatación lineal, superficial, y volumétrica.

3. Una placa metálica tiene un orificio circular. Si se incrementa la temperatura de la placa, ¿aumenta o disminuye el área del orificio? explique.

4. Dos barras A y B de la misma longitud inicial, sufren la misma elevación de temperatura ¿podrían ser diferentes las dilataciones de estas barras? Explique su respuesta.

5. Dos barras A y B del mismo material, experimentan la misma elevación de temperatura. Las dilataciones de estas barras podrían ser distintas. Explique

6. ¿Por qué algunos elementos se quiebran con cambios de temperatura altos?

7. Explique la razón física por la cual para una misma variación de temperatura, el cambio de volumen es diferente en sólidos y en líquidos.

8. Explique por que un vaso de vidrio común probablemente se romperá si se llena parcialmente con agua hirviente. ¿Por qué si lo llenamos por completo hay menos probabilidad de que se romba? ¿Por qué no se quebraría si fuera de vidrio Pírex?

9. ¿En cuanto aumenta la longitud de un alambre de cobre de un metro de longitud, si su temperatura aumenta de 20°C hasta 80°C?

10. Determine la temperatura en la cual una placa de cobre de área 10 m a 20°C adquiere el valor de 10,0056 m

11. Cuando la temperatura de una moneda de cobre se eleva a 100°C su diámetro aumenta en 0.18%. ¿Cuál es el coeficiente de dilatación lineal?

12. Completamente de mercurio se derramara al calentar el conjunto hasta 100°C?

13. Una varilla metálica cuya longitud es 30 cm se dilata 0,075 cm cuando su temperatura se eleva desde 0°C a 100°C. Una varilla de un metal diferente y de la misma longitud se dilata 0,045 cm para la misma elevación de temperatura. Una tercera varilla, también de 30 cm de longitud, esta formada por dos trozos de los metales anteriores colocados extremo con extremo y se dilata 0,065 cm ante 0°C y 100°C. Hallar la longitud de cada porción de la barra compuesta.

14. Un vendedor de gasolina recibe en su tanque 2000 litros de gasolina a la temperatura de 30°C. Sabiéndose que posteriormente vende toda la gasolina cuando la temperatura es de 20°C ¿Cuál es el perjuicio (en litros de gasolina ) que sufrió el vendedor?

15. Un puente de

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