INTRODUCCIÓN A LA FISICA

INTRODUCCIÓN A LA FISICA

La fisica es ante todo una ciencia experimental, a pesar de la elegancia de algunas de sus teorías mas complejas y abstractas. Por ello es indispensable que quienes realizan mediciones precisas puedan coincidir en las normas de cómo expresar los resultados de sus mediciones, pues de lo contrario no podrían comunicarse de un laboratorio a otro ni verificarlas. 

La física nos resulta muy importante en la vida cotidiana ya que es una de las ciencias que ha contribuido mucho a las necesidades del hombre, ya que sabemos que gracias a ella podemos explicarnos tanto los fenómenos sucedidos en el planeta y por ella tenemos muchas de nuestras cosas indispensables para nosotros: lavadoras, estufas, radios, computadoras, autos, entre muchas otras cosas mas.

Se prodría decir que prácticamente la fisica es la forma que el hombre encontró para estudiar la naturaleza a base del conocimiento científico y empírico. Además se aplica a la vida cotidiana de manera constante y está relacionada con la mayoría de las cosas que hacemos o nos ocurren.


Aplicaciones de la física en la vida cotidiana

Para poder entender la física a nuestro alrededor no hace falta ser un científico, basta con sólo observar el medio que nos rodea y los fenómenos que ocurren en el mismo además de tratar de entender el porqué ocurren esos fenómenos así como sabemos de manera empírica el por qué los objetos caen.
Diariamente el humano ha tratado de entender las cosas que pasan alrededor de él y, por lo tanto, tratado de hallarle una explicación lógica a estos fenómenos. El poder movernos y caminar, ver llover, ver como los objetos caen siempre hacia el suelo, ver transcurrir las estaciones del año, el día y la noche, etc., son fenómenos que gracias a la física se han podido explicar y con esta explicación se han podido manejar y hacer que sirvan de manera productiva a la humanidad.
Este conocimiento se ha ocupado de manera interesante: la propagación de ondas para la comunicacion a largas distancias, la electricidad para utilizarse en el hogar, el trabajo, la escuela y otros lugares para distintos cosas. 


Conocimiento científico y empírico

Conocimiento empírico: Es aquel que se obtiene por medio de la experiencia y la observación, y por lo tanto no ofrece una validez ni certeza universales.Un ejemplo claro de ello me viene a la mente ya que, en el curso de fisica 1 tuvimos una actividad acerca de el conocimiento empírico y científico. Recuerdo muy bien que el ejemplo era la lluvia; en conocimiento empírico se aplicaría: "Llueve gracias al dios Tláloc".

Conocimiento científico: Es aquel que se aproxima a la realidad que aveces s apoya por el método científico y que trata de explicar el porque de los fenómenos ocurridos. En cuanto al ejemplo citado sobre la lluvia, en conocimiento científico se aplicaría: "Lueve gracias al ciclo del agua". 

CLASIFICACIÓN DE LA FÍSICA

La clasificación de la física en ramas permite agrupar los fenómenos cuyas causa o características sean comunes además de de estudio. Las ramas de la física son:

· Cinemática
· Mecánica Estática
· Dinámica
· Óptica Cinética
· Clásica Acústica
· Termología
· Electromagnetismo
· Física
· Mecánica Cuántica
· Moderna
· Mecánica Relativista
·

Física Clásica: Ciencia que estudia los fenómenos en los que participan cuerpos de tamaño mediano en del ser humano y que se mueven a velocidades muy por debajo de la velocidad de la luz, considerando la masa y el tiempo como absolutos, o sea que los valores de estos son los mismos independientemente de quien los mida.
Para su estudio se divide en ramas que están estrechamente relacionadas:
· Mecánica (fuerzas y movimientos)
· Termología (fenómenos caloríferos)
· Electromagnetismo (fenómenos originados por cargas eléctricas)
· Óptica (fenómenos luminosos)
· Acústica (fenómenos ondulatorios).

Ejemplos de fenómenos estudiados por esta rama son:
· El movimiento de rotación y traslación de la tierra.
· El lanzamiento de proyectiles.
· La flotación de los barcos y submarinos.
· El choque de dos automóviles.
· EL salto de un deportista.

Óptica: Esta rama de la física se encarga del estudio de todos los fenómenos relacionados con la materia, su manera de producirse, captarla y analizarla, sus propiedades y su comportamiento en general. Algunos ejemplos de fenómenos ópticos son:
· La formación del arco iris.
· Que se formen o reflejen imágenes en los espejos
· La propagación rectilínea de la luz.

Acústica: Esta rama de la física estudia el movimiento ondulatorio, como el sonido los fenómenos relacionados con el mismo. Tenemos por ejemplo:

· Un eco.
· El timbre o sonido de los instrumentos musicales.

Termología: Es la rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor y la temperatura. Por ejemplo:

· La fusión del hielo.
· La transmisión del calor.
· El punto de ebullición de las sustancias.
· La dilatación de los cuerpos expuestos al calor. 
Electromagnetismo: Este estudia los fenómenos que tienen origen en las cargas electricas. Se habla del electromagnetismo, desde que se sabe que la electricidad no es un fenómeno independiente. Como por ejemplo:

· Los imanes.
· El funcionamiento de los aparatos electrodomésticos.
· Los rayos que caen cuando llueve


Física Moderna: Estudia los fenómenos en los que participan cuerpos muy grandes o infinitamente pequeños que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)

Magnitudes Fundamentales: Son magnitudes que no resultan a partir de otra y que se eligen entre las que representan las propiedades mas comunes y generales de la materia.

Magnitudes Derivadas: Magnitudes que se obtienen a partir de las magnitudes fundamentales mediante las operaciones de multiplicación, división, o ambas. Ejemplos de ellas son:
· área
· volumen
· velocidad
· densidad
· aceleración
· fuerza
· trabajo
· energía
· potencia


Movimiento rectilíneo uniforme

Se le llama movimiento rectilíneo uniforme al movimiento que describe un cuerpo cuando se desplaza en línea recta con una velocidad constante en módulo, dirección y sentido.

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado

El desplazamiento en línea recta en los cuales la velocidad que lleva el cuerpo aumenta de manera uniforme y constante se denomina movimiento uniformemente acelerado.
Movimiento circular uniforme
Cuando un cuerpo material describe una trayectoria circular alrededor de un punto central con una velocidad angular constante se denomina movimiento circular uniforme.

Movimiento circular uniformemente acelerado

Cuando hay un movimiento circular por una partícula que aumenta de forma constante con el paso del tiempo, se le llama movimiento circular uniformemente acelerado.

Movimiento parabólico

Otro tipo de movimiento es el movimiento parabólico el cual no es rectilíneo ni es totalmente circular. Un ejemplo podría ser el lanzamiento de un balón de baloncesto hacia la canasta. 
Movimiento vertical

El movimiento vertical es el movimiento de caida libre, y puede ser parte del movimiento compuesto o parabolico.se caracteriza por ser uniformemente acelerado o retardadosus variables son altura (h) velocidad inicial (vi) velocidad final (vf) aceleracion de la gravedad (g=9,8m/s2) y tiempo (f)formulas vf = vi +/- gth = vi.t +/- gt2/2vf2 = vi2 +/- 2g.hMovimiento rectilíneo uniforme (M.R.U.) Hay varios tipos especiales de movimiento. Están aquellos en el que la velocidad es constante. En el caso más sencillo, la velocidad podría ser nula, y la posición no cambiaría en el intervalo de tiempo considerado. Si la velocidad es constante, la velocidad media es igual a la velocidad en cualquier instante determinado. Si el tiempo t se mide con un reloj que se pone en marcha con t = 0, la distancia e recorrida a velocidad constante v será igual al producto de la velocidad por el tiempo. En el movimiento rectilíneo uniforme la velocidad es constante y la aceleración es nula.

v = e/t
v = constante
a = 0

Movimiento uniformemente variado (M.U.V.)

Otra forma de movimiento es en el que se mantiene constante la aceleración. Como la velocidad varía, hay que definir la velocidad instantánea, que es la velocidad en un instante determinado.

v = a.t

Caída libre: Un objeto pesado que cae libremente cerca de la superficie de la Tierra experimenta una aceleración constante. En este caso, la aceleración es aproximadamente de 9,8 m/s ². En la caída libre el movimiento acelerado donde la aceleración es la de la gravedad además de carecer de velocidad inicial. 
Tiro vertical: Es el movimiento acelerado donde la aceleración es la de la gravedad y la dirección del movimiento puede ser tanto ascendente como descendente.

Mecánica

La mecánica es la parte de la física que estudia el estado de equilibrio o movimiento de los cuerpos y las cusas que lo producen. Cuando se analizan las causas del movimiento, se refiere a la dinámica. Esta se divide a su ves en tres: cinemática, estática y dinámica. 

Cinemática: Es la rama de la física que estudia el movimiento de los objetos sin tener en cuenta lo causas que la producen.

Estática: Es la parte de la física que se ocupa de las fuerzas en su sentido geométrico y sin tener en cuenta los efectos que producen.

Magnitud: En general es todo sentido aquello que puede ser medido y comparado. Si se trata de magnitudes físicas unos ejemplos de ellas serían: la densidad de un cuerpo, el volúmen, el peso, la longitud, entre otras. 

Medir: Es comparar una magnitud con otra de la misma especie y que sea homgénea con ella. Las magnitudes en la física se clasifican en dos grupos: magnitudes escalares y magnitudes vectoriales.

Magnitud escalar: Estas maginitudes son aquellas que vienen determinadas con un sólo número y no necesitan especificar una dirección y un sentido. Ejemplos de estas son: 10 pesos, 4 aviones, 8 casas, 13 paletas, 7 camisas, el tiempo, la masa, la densidad.

Magnitud vectorial: Son las que no quedan definidas con un sólo número sino que se debe especificar su punto de aplicación, su dirección, su sentido y su intensidad. Ejemplos de estas son: la velocidad, la fuerza, la aceleración.

Fuerza

La fuerza es la causa capaz de producir o modificar el movimiento o el reposo de un cuerpo. Por ejemplo, al mover una pelota dándole una patada, se detiene la pelota con la mano, pero también puede devolverla cambiando la dirección del movimiento. También al sostener cualquier objeto y evitar que se caiga estamos aplicando una fuerza que contrarresta la que ejerce la Tierra sobre el objeto. El instrumento que mide las fuerzas es el dinamómetro.

El efecto de una fuerza aplicada a un cuerpo depende de los siguientes elementos:

a) Punto de aplicación: Es aquel sobre el que parece que actúa directamente la fuerza.

b) Dirección: Es la línea recta según la cual tiende a moverse la fuerza.

c) Sentido: este nos da la idea del desplazamiento de la fuerza. Para cada dirección hay dos sentidos. Así en la dirección horizontal, u sentido puede ser hacia la derecha y otro hacia la izquierda.

d) Intensidad o magnitud (módulo): Es lo que vale la fuerza siendo el resultado de su medida, está representada por la longitud de la flecha.

Las fuerzas se representan por los vectores que son segmentos rectilíneos que tienen una orientación. Para representar a las fuerzas se utilizan los vectores.

Vector

Es un segmento de recta orientado mediante una punta de flecha dibujada en cualquiera de sus extremos. En los vectores que represnetan fuerza hay que distinguir: orígen, dirección, sentido y longitud.

a) Orígen: Este corresponde al punto de aplicación de la fuerza.

b) Dirección: Es la rectaa la que pertenece el vector y que coincide con la que se mueve o tiende a moverse la fuerza.

c) Sentido: Este es el que viene indicado por una flecha en el extremo y es el que tiene la fuerza.

d) Longitud del vector: Que es lo proporcional a la intensidad de la fuerza.

Sistema de fuerzas

Se le denomina de este modo a un conjunto de ellas aplicadas a un mismo sólido indeformable; a dichas fuerzas se les llama componentes del sistema.

Composición de fuerzas 

Componentes: Estos son las fuerzas que obran a la vez sobre un mismo cuerpo.

Resultante: Es la fuerza única que sustituye y produce el mismo efecto que los componentes.

Equilibrante: Es un vector único capaz de sustituir y poner en equilibrio todo un sistema de fuerzas; estos tienen la misma intensidad y dirección que la resultante pero en sentido contrario.

"Composición de fuerzas es, dadas las componentes, hallar la resultante". Descomposición es, dada la resultante, hallar los componentes".

Sistema de fuerzas angulares o concurrentes

Se le llama así a aquellas cuyas rectas de acción pasan por un punto y tienen el mismo punto de aplicación formando ángulo.

Método del paralelogramo

Para poder encontrar la resultante de dos fuerzas angulares se pueden utilizar dos métodos: método del parallogramo o método analítico. Hablaremos un poco sobre el método del paralelogramo. 

Suponiendo que tenemos dos fuerzas PA y PB su punto de aplicación donde concurren, es el punto P. La resultante se encuentra construyendo el paralelogramo de las fuerzas PA y PB. La resultante es una diagonal PQ que nos da la dirección de la resultante y su magnitud convertida según la escala adoptada la magnitud de la rasultante.

Suma y resta de vectores

Las magnitudes vectoriales se suman y se restan diferentea como se hace con las magnitudes escalares. Para sumar o restar magnitudes escalares, se aplican las reglas conocidas de la suma y la resta aritmética. Por ejemplo: para sumar una magnitud vectorial representada por el vector A, con otra magnitud vectorial representada por el vector B, se leva este vector B, siguiente del vector A, conservando su dirección y sentido. La suma de estos vectores nos da como resultado el vector C el cual trazamos uniendo le orígen del vector A con e extremo del vector B.

vector A+ vector B= vector C

De la misma manera para la resta de los vectores tendríamos por ejemplo al vector C y el vector A y para restarlos tendremos que unir el extrmo dle vector sustraendo con el extremo dle vectro minuendo C vector y de resultado tenemos al vector B, que es la diferencia entre los vectores A y C.

Mecánica clásica: Esta está concentrada en el movimiento d eun objeto en particular que interactúa con otros circundantes, de modo que su velocidad cambia ya que se produce una aceleración. 

Leyes de Newton 

Primera Ley de Newton (Ley de la inercia): "Consideremos un cuerpo sobre el cual no opera ninguna fuerza neta. Si se encuentra en reposo, permanecera en ese estado. Si se mueve con velocidad constante, seguirá desplazandose".
Esta primera ley de Newton es muy importante ya que ayuda a identificar una serie de marcos especiales para saber donde aplicar las leyes de la mecánica clásica.

Inercia: Se da el nombre de inercia a la tendencia d eun cuerpo a permanecer en reposo o en movimiento lineal uniforme y a la primera ley de Newton se le llama "Ley de la inercia"; los marcos de referencia que recibe se llaman marcos inerciales. Para comprobar que hay un marco inercial se puede experimentar lo siguiente: se pone un cuerpo en reposo en el interior y nos cersioramos de que no contenga ninguna fuerza neta; si el resultado es que el objeto no permanece en reposo el marco no será inercial.
Según la primera ley de Newton al haber ausencia de fuerza hay, por lo tanto, ausencia de aceleración así que se supone que al aplicar siempre una fuerza a un cuerpo este adquirirá una aceleración

Segunda ley de Newton (Ley de la fuerza): “El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime.”
En esta ley se explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento cuya masa no tiene por qué ser constante actúa una fuerza neta; esta fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección. Los cambios experimentados en la cantidad de movimiento de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la misma dirección; osea que las fuerzas causan las aceleraciones en los cuerpos.

Tercer ley de Newton (Ley de acción y reacción): “El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime”
En esta ley se explica qué ocurre si en un cuerpo en movimiento la cual no es necesario que su masa sea constante, actúa una fuerza neta y dicha fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección. Estos cambios experimentados en la cantidad de movimiento de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en esta dirección; es decir que las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. 

Ley de Gravitación Universal


La ley de gravitación universal es una ley clásica de lagravitación presentada por Isaac Newton que establece una relación cuantitativa para la fuerza de atracción entre dos objetos con masa. 

Newton fue el primero en explicar el movimiento, tanto de los cuerpos celestes como de los terrestres; recordemos la famosa caída de la manzana. A partir de una única ley para las fuerzas: la ley de la gravitación universal la concluyó. Sus estudios y teorías sobre la mecánica buscaron explicaciones separadas para ambos fenómenos.
La ley de la gravitación universal propuesta por Newton establece que entre dos cuerpos cualquiera se produce una fuerza gravitatoria de atracción la cual es proporcional al producto de las masas respectivas y al inverso del cuadrado de la distancia entre los mismos.

Seguidores

Archivo del blog

• ▼  2010 (2)
  • ►  mayo (1)
  • ▼  abril (1)
    • INTRODUCCIÓN A LA FISICA

Termología

La termología (termo = calor, logia = estudio) es la parte de la física que estudia el calor y sus efectos sobre la materia. Ella es el resultado de una acumulación de descubrimientos que el hombre ha hecho desde la antigüedad, atingiendo su clímax en el siglo XIX gracias a científicos como Joule, Carnot, Kelvin y muchos otros.

En este articulo buscaremos introducir los conceptos de temperatura y calor, así como los varios efectos que el calor impone a los cuerpos tales como el cambio de estado y la dilatación.

Temperatura y Calor:

Temperatura: Las partículas constituyentes de los cuerpos están en continuo movimiento. Entendemos como temperatura la grandeza que mide el estado de agitación de las partículas de un cuerpo, caracterizando su estado térmico.

Calor: Es una forma de energía en tránsito de un cuerpo de mayor temperatura para otro de menor temperatura.

Se estableció como unidad de cantidad de calor la caloría (cal).

Se dice caloría (cal) a la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua de 14,5ºC a 15,5ºC, bajo presión normal.

En el Sistema Internacional de unidades, la unidad de calor es el Joule (J). La relación entre caloría y Joule es: 1 cal = 4,186 J. Podemos utilizar también un múltiplo de caloría llamado kilocaloría.

1Kcal = 1000 cal

Equilibrio térmico: Dos cuerpos, con temperaturas iniciales distintas, puestos en contacto, después de cierto tiempo llegan a la misma temperatura. Ese estado final llamase equilibrio térmico.

P.S.: Dos cuerpos que están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.

Termómetros y Escalas Termométricas:

Termómetro es un aparato que permite medir la temperatura de los cuerpos.

Una escala termométrica corresponde a un conjunto de valores numéricos donde cada uno de dichos valores se asocia a una temperatura.

Para graduar a las escalas se eligió, para puntos fijos, dos fenómenos que se reproducen siempre en las mismas condiciones: la fusión del hielo y la ebullición del agua, ambos bajo presión normal.

1er. Punto Fijo: corresponde a la temperatura de fusión del hielo, llamado punto del hielo.

2do. Punto Fijo:: corresponde a la temperatura de ebullición del agua, llamado punto de vapor.

El intervalo de 0ºC a 100ºC y de 273K a 373K está dividido en 100 partes iguales y   cada una de las divisiones corresponde a 1ºC y 1K, respectivamente. En la escala Fahrenheit el intervalo de 32ºF a 212ºF está dividido en 180 partes.

La escala Fahrenheit es generalmente utilizada en los países de habla inglesa. La escala Kelvin es llamada escala absoluta de temperatura.

Ecuación Termométrica:

Podemos relacionar la temperatura de un cuerpo con la propiedad termométrica por la función de 1er. grado: t = aG + b

Donde: a y b son constantes y a ¹ 0.

G es la grandeza termométrica.

t es la temperatura.

A esa función denominamos ecuación termométrica.

Relaciones entre las escalas:

Suponiendo que la grandeza termométrica es la misma, podemos relacionar las temperaturas asignadas por las escalas de la siguiente manera:

Ejemplo: Transformar 35ºC en ºF.

Qué es la  temperatura

De modo cualitativo, podemos describir la temperatura de un objeto como aquello que determina la sensación de cuanto el objeto está caliente o frio cuando estamos en contacto con él.

Es fácil demostrar que cuando dos objetos están en contacto (decimos que están encontacto térmico), el objeto que posee mayor temperatura se enfría, y el que posee menor temperatura se calienta, hasta un punto que no pasa más ningún cambio y, para nuestros sentidos, ellos parecen estar con la misma temperatura. Cuando cesan los cambios térmicos, decimos que los dos objetos (más rigurosamente hablando, sistemas) llegan al equilibrio térmico. Podemos entonces definir la temperatura de un sistema diciendo que la temperatura es una cantidad común para ambos los sistemas, si ellos se encuentran en equilibrio térmico.

Se hacemos experiencias con más de dos sistemas, verificamos que muchos sistemas pueden llegar al equilibrio entre sí. O sea, el equilibrio térmico no depende del tipo de objeto utilizado. O, más precisamente,

si dos sistemas se encuentran separadamente en equilibrio térmico con un tercero, entonces ellos también deben encontrarse en equilibrio térmico entre si,

y todos ellos poseen la misma temperatura, sin depender del tipo de sistemas que son.

La sentencia escrita en cursiva se llama ley cero de la termodinámica, y puede ser escrita en la forma:

Si tres o más sistemas son puestos en contacto térmico entre sí, y si todos llegan a estar en equilibrio en conjunto, entonces cualquier dos de ellos separadamente estarán en equilibrio térmico entre sí.

Cualquier uno de los tres sistemas puede ser utilizado para calibrar la medida de la temperatura – o sea, utilizando a este como un termómetro. Cuando un termómetro calibrado es puesto en contacto con un sistema y alcanza el equilibrio térmico, tenemos entonces una medida cuantitativa de la temperatura del sistema. Por ejemplo, un termómetro clínico de mercurio en vidrio cuando puesto en contacto bajo la lengua de un paciente y se espera hasta el momento que este termómetro llegue a un equilibrio térmico con la boca del paciente – observamos así cuánto el mercurio se expandió en el tubo y leemos la escala del termómetro para determinar la temperatura del paciente.

Qué es un termómetro

Un termómetro es un instrumento que mide cuantitativamente la temperatura de un sistema. El modo más fácil de hacerlo es encontrar una substancia que posea una propiedad que cambie su forma acorde a la temperatura. El modo directo más ‘regular’ es la forma linear:

t(x) = ax + b

donde t es la temperatura de la substancia utilizada y que cambia con la propiedad x de la substancia. Las constantes a y b dependen de la substancia utilizada y pueden ser calculadas si especificamos dos puntos en la escala de temperatura, tales como el 0^opara el punto de congelamiento del agua y 100^o para su punto de ebullición.

Por ejemplo, el elemento mercurio (único metal líquido aun en bajas temperaturas) es líquido en el intervalo de temperatura de -38.9° C hasta 356.7° C. Como todo líquido, el mercurio se expande conforme es calentado. Su expansión es linear  y puede ser calibrada con exactitud.

El termómetro de mercurio en un tubo de vidrio está ilustrado en el dibujo arriba. Contiene un bulbo lleno de mercurio, y se permite que se expanda en un tubo capilar (muy fino). Su tasa de expansión es calibrada por la escala en el vidrio.

Teoría Cinética del Gas Perfecto – Ecuación de Clapeyron

Características de una substancia en el estado gaseoso – No posee forma ni volumen propios. Un gas posee la forma del recipiente que lo contiene y ocupa todo el espacio limitado por las paredes del recipiente. El volumen de un gas es el volumen del recipiente que lo contiene.

Modelo del estado gaseoso (teoría cinética de los gases) – Un gas está constituido por moléculas aisladas, separadas unas de las otras por grandes espacios vacios en relación a su tamaño en continuo movimiento de translación, rotación y vibración.

Presión y temperatura de un gas

Presión de un gas - Resulta de las colisiones de las moléculas del gas contra las paredes del recipiente que lo contiene.

Temperatura de un gas – Es una medida de la agitación molecular o de la agitación térmica.

Gas ideal

Gas ideal o gas perfecto – Es un modelo teórico. Se dice de un gas que obedece a las ecuaciones  P·V/T = k e P·V = n·R·T, con exactitud matemática.
En la práctica, tenemos gases reales. Un gas real tiende para el das ideal cuando la presión tiende a cero y la temperatura se eleva.

Condiciones Naturales de Temperatura y Presión

Ley de Boyle e ley de Charles y Gay-Lussac

Ley de Boyle – A una temperatura constante, el volumen ocupado por una cantidad fija de un gas es inversamente proporcional a su presión.

P·V = k = constante

Ley de Charles y Gay-Lussac – A un volumen constante, la presión de una masa fija de un gas varia linealmente con la temperatura de ese gas en grados Celsius.

A una presión constante, el volumen de una masa fija de un gas varia linealmente con la temperatura del gas en grados Celsius.

Con la introducción de la escala absoluta, las leyes de Charles y Gay-Lussac fueron así declaradas:

· A un volumen constante, la presión de una masa fija de gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.

· A una presión constante, el volumen de una masa fija de gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.

Transformaciones isotérmica, isobárica e isométrica

* también isocórica o isovolumétrica

Ecuación general de los perfectos

(número de moles constante)

Ecuación de estado de un gas perfecto

Volumen molar de un gas

Volumen molar es el volumen de un mol de substancia.

El volumen molar de un gas es constante para todos los gases bajo una misma presión y temperatura.

En las CNTP, el volumen molar es igual a 22,4 L/mol.

Fracción molar, presión parcial, presión total, volumen parcial y volumen total

Fracción molar de un gas A en una mezcla

número de moles de A / número de moles de la mezcla

Presión parcial de un gas A en una mezcla

Fracción molar de A / presión  de la mezcla

Presión parcial de un gas A en una mezcla

Es la presión ejercida por el gas A como si él estuviese solo en la mezcla.

Presión (total) de una mezcla gaseosa

Es la suma de las presiones parciales de cada gas.

Volumen parcial de un gas A en una mezcla

Es el volumen que tendría el gas A si estuviese sometido a la presión (total) de la mezcla, a la misma temperatura.

Volumen parcial de un gas A en una mezcla

Fracción molar de A / volumen de la mezcla

Fracción molar de un gas A en una mezcla

Cuando expresado en porcentaje, es también el porcentaje en volumen del gas A en la mezcla.

Densidad de un gas

Densidad de un gas en las CNTP:

Densidad de un gas a una presión p y temperatura T:

Densidad  de un gas A en relación a un gas B:

Densidad  de un gas A en relación al aire:

Efusión y difusión de los gases  - Ley de Graham

Efusión de gases es el pasaje de gases por pequeños orificios.

Difusión de gases es la mezcla de gases cuando puestos unos en la presencia de otros.

Ley de Graham - Las velocidades de efusión y difusión son inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de sus masas moleculares (o de sus densidades).

Turbulencia y ecuación de Navier-Stokes

Avisos Google

Intuitivamente, puede se entender turbulencia como el movimiento caótico de los fluidos – ya sea el polvo cósmico interestelar en las galaxias espirales, atmosferas gaseosas planetarias, o agua fluyendo a través de una canilla.

Las escalas de longitud varían de distancias galáxicas de 10¹⁶ – 10¹⁸ km, distancias planetarias de 1000 – 10.000 km, y distancias en la escala humana de 1mm – 10 m (en la atmosfera y ríos, así como en las piletas de la cocina).

La descripción matemática básica de la dinámica de los fluidos desarrollada por Euler (1741) fue corregida para incluir las fuerzas de viscosidad por Navier (1827) y Stokes (1945).

La ecuación de Navier-Stokes para la velocidad v(r,t) de un fluido en el punto r y tiempo tsimplemente es la ecuación de Newton para una partícula del fluido:

(Ecuación de Navier-Stokes)

Ella iguala la aceleración de una partícula del fluido (en el lado izquierdo de la igualdad) con la fuerza actuando en función del gradiente de presión p(r,t) (por unidad de volumen) y a la viscosidad del fluido h (por unidad de volumen).

En un principio, tendríamos que resolver dicha ecuación para comprender todos los fenómenos de turbulencia. Pero la ecuación es una pesadilla matemática. Si ignoramos el término ‘pesado’ de la ecuación

, la solución de la ecuación lleva a la velocidad de ríos del orden de 10⁶  km/h, y la velocidad máxima de automóviles del  orden de 2000 km/h, ¡ambos los cuales son totalmente imposibles!

La razón es que este término no lineal es normalmente mucho mayor que el primero término (lineal). La razón entre los dos términos es el número de Reynolds, Re, y para grandes números de Reynolds, la ecuación de Navier-Stokes es imposible resolver.

Dichas ecuaciones establecen que cambios en el momento y en la aceleración de una partícula fluida son simplemente el producto (resultado) de los cambios en la presión y fuerzas viscosas disipativas (similar a la fricción) actuando adentro del  fluido. Esa fuerza viscosa se origina de la interacción molecular y actúa como zarcillos para el fluido. Por lo tanto son uno de los más útiles conjunto de ecuaciones porque describen la física de un gran número de fenómenos de interés económico y académico.

Son utilizadas para modelar el clima, corrientes oceánicas, flujos de agua en caños, movimientos de las estrellas adentro de la galaxia, flujo alrededor de los perfiles alares (alas), propagación de humo en incendios, etc. También son utilizadas en el proyecto de aeronaves y automóviles, en el estudio del flujo sanguíneo, el proyecto de usinas de fuerza, el análisis de los efectos de la polución, etc. Juntamente con las ecuaciones de Maxwell, ellas pueden ser utilizadas para el modelaje y estudios de magneto dinámica.

Para situaciones más complejas, tales como un sistema de clima global como El Niño o la sustentación en un ala, las soluciones para la ecuación de Navier-Stokes frecuentemente deben ser encontradas con la ayuda de computadoras. Ese es un campo de la ciencia conocido como CFD, sigla del inglés Computational Fluid Dynamics o Dinámica de los Fluidos Computacional.

A parte de eso, nadie en sana conciencia intentará resolver dicha ecuación para un campo turbulento en todos los puntos del espacio y tiempo. Son las propiedades estadísticas del flujo, tales como distribuciones de probabilidad de velocidad, o tasa de consumo de energía, que son importantes.

Miles de científicos en todo el mundo están intentando encontrar soluciones y modelos que nos ayuden a entender el fenómeno de la turbulencia por acercamientos de la ecuación de Navier-Stokes y en ese sentido se ofreció (y todavía nadie ha logrado ganar) el premio de U$1.000.000 en Mayo de 2000 por el Instituto de matemática Clay para cualquiera que haga progresos substanciales en la dirección de la matemática teórica capaz de ayudar en el entendimiento de ese fenómeno.

Escalas de temperatura

Los primeros termómetros surgieron en la edad media y eran llamados termoscopios.

Consistían de un bulbo conteniendo un tubo largo con una extremidad inmersa en agua colorida (el vino era muy utilizado). Un poco de aire en el tubo era expulsado antes de inserir el líquido. Eso hacía con que el líquido subiera por el tubo. Cuando el aire restante en el tubo y en el bulbo sufría calentamiento o enfriamiento, el nivel del líquido en el tubo sufría variación, reflejando un cambio en la temperatura del aire. Una escala en el tubo permitía que una medición cuantitativa de esas flotaciones fuese realizada.

En 1702, el astrónomo Ole Roemer de Copenhague utilizó dos  puntos fijos en su escala: hielo y agua en ebullición. En 1724 Gabriel Fahrenheit, un  reparador de instrumentos en Danzig y Ámsterdam, utilizó el mercurio como liquido de termómetro. La expansión térmica del mercurio es grande y uniforme. No se adhiere al vidrio, y permanece en estado líquido en un gran intervalo de temperaturas. Su apariencia metálica facilita lalectura.

En la escala utilizada por Fahrenheit el punto de ebullición del agua fue definido como 212. Y el punto de congelamiento del agua fue calibrado en  32, de modo que el intervalo entre los dos puntos pudiese ser representado por el número  180. Las temperaturas medidas en esa escala son llamadas de grados Fahrenheit (° F).

En 1745,  Carolus Linnaeus de Upsala, Suecia, describió una escala en que el punto de congelamiento del agua era cero, y el punto de ebullición 100, definiendo la escala del centígrado (paso de cien). Anders Celsius (1701-1744) utilizó la escala de forma contraria donde el cero representa el punto de ebullición del agua y 100 su punto de congelamiento. De nuevo, con 100 grados entre los dos puntos de definición.

En 1948 la utilización de la escala de Centígrado fue cambiada por la utilización de una nueva escala de grados Celsius (° C). La escala Celsius se define por las siguientes dos características, que discutiremos más tarde:
(i) el punto triple del agua es definido como 0.01 ° C
(ii) un grado Celsius es igual al mismo cambio de temperatura que un grado en una escala de gas ideal.

En la escala Celsius el punto de ebullición del agua en las condiciones normales de presión atmosférica es 99.975 C, en contraste con los 100 grados  definidos pela escala do Centígrado.

Para convertir de Celsius a Fahrenheit: multiplique por 1.8 y sume 32.

En1780, J. A. C. Charles, un médico Francés, demostró que para el mismo aumento de temperatura, todos os gases presentan el mismo aumento de volumen. Como el coeficiente de expansión de los gases es aproximadamente el mismo, es posible establecer una escala de temperatura basada en un punto fijo simple, en vez de una escala con dos puntos fijos, como son las escalas  Fahrenheit y Celsius.

En un termómetro de gas con volumen constante, un gran bulbo de gas B, por ejemplo hidrógeno, bajo una determinada presión es conectado a un manómetro de mercurio por intermedio de un tubo de volumen muy chico. (El bulbo B es la parte sensible a la temperatura y debe contener la mayor parte del hidrógeno). El nivel de mercurio en C debe ser ajustado subiendo, o bajando, el depósito de mercurio R. La presión del gas de hidrógeno, que es la variable “x” en la relación lineal con la temperatura (ecuación [4.1]), se da por la diferencia entre los niveles  D y C más la presión por arriba de D.

Se observa experimentalmente que existe poca diferencia entre las escalas de temperatura para gases distintos, bajo pequeñas presiones. En esas condiciones, todos los gases se portan como gases perfectos, obedeciendo la relación

Esa temperatura es conocida como temperatura termodinámica y es hoy en día acepta como una medida fundamental de la temperatura. Note que existe un cero natural en esa escala – es el punto en que la presión del gas ideal es cero. Luego, solamente un segundo punto necesita ser definido. Ese fue definido por el Comité Internacional de Pesos y Medidas como el punto triple del agua (el punto donde agua, hielo y vapor de agua coexisten en equilibrio). Su valor fue tomado como 273.16. La unidad de temperatura en esa escala es el Kelvin, y su símbolo es el K (no se utiliza el símbolo de grado en ese caso). Una “célula” de punto triple es demostrada en el dibujo abajo. La célula es enfriada hasta que el agua, hielo y vapor de agua estén en equilibrio. La temperatura es de 273.16 K por definición. Un termómetro puede ser calibrado insertando el mismo en el tubo central.

Para hacer la conversión de Celsius para Kelvin, sume 273:

K = ° C + 273

La temperatura termodinámica es la temperatura fundamental; su unidad es el Kelvin que es definido como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Tabla: Comparaciones entre escalas

oC K oF Agua en ebullición 100 373 212 Agua congela 0 273 32 Cero absoluto -273 0 -459