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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