FISICA 2: 2010

martes, 9 de noviembre de 2010

ACTIVIDAD DE LABORATORIO "Conversión de trabajo en calor."(gráficas)

Equipo	Temperatura madera	Metal	Piedra
1	10⁰C	19⁰C	17⁰C
2	16⁰C	19⁰C	18⁰C
3	17⁰ C	19 ⁰C	16⁰ C
4	15⁰C	19⁰C	17⁰C
5	18⁰C	19⁰C	17⁰C
6	18^OC	19⁰C	18.5⁰C

ACTIVIDAD DE LABORATORIO "Conversión de trabajo en calor."

MATERIAL:

Cautín, madera, metal, piedra, taladro con broca, termómetro.

PROCEDIMIENTO:

A.- Colocar la broca al taladro y aplicar durante dos minutos la acción de taladrar a la madera, el metal y la piedra.

B.-Medir la temperatura después de los dos minutos en cada caso.

C.-Dibujar sobre la madera un motivo para grabarlo con el cautín.

Equipo	Temperatura madera	Metal	Piedra
1	10⁰C	19⁰C	17⁰C
2	16⁰C	19⁰C	18⁰C
3	17⁰ C	19 ⁰C	16⁰ C
4	15⁰C	19⁰C	17⁰C
5	18⁰C	19⁰C	17⁰C
6	18^OC	19⁰C	18.5⁰C

Graficar los datos para cada material (equipo-temperatura).

Conclusiones:…….

El taladro produce un trabajo y al aplicarlo sobre estas tres superficies se trasformo en calor, el metal al ser el mejor conductor, es el de la temperatura más alta con 19°C y le siguen la madera y la piedra cuyas mediciones fueron my variables,

Gracias a esta actividad pudimos observa cómo se transforma el trabajo en calor en una superficie.

Actividad de laboratorio "aplicaciones de las formas de calor: conducción, convección, radiación." (gráfica)

TIEMPO	TEMPERATURA
0m	18°C
1m	28°C
2m	41°C
3m	51°C
4m	65°C
5m	75°C
6m	84°C
7m	92°C
8m	95°C

Actividad de laboratorio "aplicaciones de las formas de calor: conducción, convección, radiación."

Material: Sistema de calentamiento, placas de metal, parafina, matraz erlenmeyerm aserrín, lámpara, radiómetro.

Procedimiento:

Colocar en la placa de metal una muestra de para fina, colocar la placa de metal sobre la tela de alambre con asbesto y calentar lentamente medir el tiempo de cambio de estado de la parafina.

colocar 100 ml de agua en el matraz erlenmeyer, adicionar una muestra de aserrín, colocar el matraz erlenmeyer sobre la malla de alambre y calentar tomar la temperatura cada minuto hasta evaporación (graficar tiempo-temperatura), observar lo que ocurre con el aserrín.

colocar el radiómetro sobre la mesa y enfocar la luz de la lámpara a la parte oscura del radiómetro, medir el numero de vueltas por minuto.

Observaciones

Actividad	Observaciones
1	El metal es un material conductor de calor, pudimos observar la conducción de partículas de la barra de metal, a la parafina y esta se derritió en 1.53m/bronce y 1.50m/cobre.
2	En el caso del aserrín, observamos la convección, ya que al principio el aserrín estaba sin movimiento y al aumentar la temperatura del agua también aumento el movimiento del aserrín, aproximadamente a los 8 minutos con una temperatura de 95°C.
3	En el tercer caso medimos la radiación, en 1 minuto se produjeron 20 vueltas del radiómetro.

Conclusiones:

En esta actividad pudimos observar las distintas formas de aplicar calor, en la primera la conducción es necesario el contacto directo (barra y parafina), en el segundo la convección se produce sin la necesidad de contacto el agua al aumentar su temperatura le transmitió calor al aserrín lo que provoco su movimiento, y por último, el tercero la radiación que no necesita contacto y se produce por ondas electromagnéticas.

lunes, 8 de noviembre de 2010

CONTAMINACION

La contaminación es cualquier sustancia o forma de energía que puede provocar algún daño o desequilibrio (irreversible o no) en un ecosistema, en el medio físico o en un ser vivo. Es siempre una alteración negativa del estado natural del medio ambiente, y por tanto, se genera como consecuencia de la actividad humana.

Para que exista contaminación, la sustancia contaminante deberá estar en cantidad relativa suficiente como para provocar ese desequilibrio. Esta cantidad relativa puede expresarse como la masa de la sustancia introducida en relación con la masa o el volumen del medio receptor de la misma. Este cociente recibe el nombre de concentración.

Los agentes contaminantes tienen relación con el crecimiento de la población y el consumo (combustibles fósiles, la generación de basura, desechos industriales, etc.), ya que, al aumentar estos, la contaminación que ocasionan es mayor.

Por su consistencia, los contaminantes se clasifican en sólidos, líquidos y gaseosos. Se descartan los generados por procesos naturales, ya que, por definición, no contaminan.

Los agentes sólidos están constituidos por la basura en sus diversas presentaciones. Provocan contaminación del suelo, del aire y del agua. Del suelo porque produce microorganismos y animales dañinos; del aire porque produce mal olor y gases tóxicos, y del agua porque la ensucia y no puede utilizarse.

Los agentes líquidos incluyen las aguas negras, los desechos industriales, los derrames de combustibles derivados del petróleo, los cuales dañan básicamente el agua de ríos, lagos, mares y océanos, y con ello provocan la muerte de diversas especies.

Los agentes gaseosos incluyen la combustión del petróleo (óxido de nitrógeno y azufre) y la quema de combustibles como la gasolina (que libera monóxido de carbono), la basura y los desechos de plantas y animales.

Todos los agentes contaminantes provienen de una fuente determinada y pueden provocar enfermedades respiratorias y digestivas. Es necesario que la sociedad humana tome conciencia del problema.

Se denomina contaminación atmosférica o contaminación ambiental a la presencia en el ambiente de cualquier agente (físico, químico o biológico) o bien de una combinación de varios agentes en lugares, formas y concentraciones tales que sean o puedan ser nocivos para la salud, para la seguridad o para el bienestar de la población, o que puedan ser perjudiciales para la vida vegetal o animal, o que impidan el uso habitual de las propiedades y lugares de recreación y el goce de los mismos. La contaminación ambiental es también la incorporación a los cuerpos receptores de sustancias sólidas, líquidas o gaseosas o de mezclas de ellas, siempre que alteren desfavorablemente las condiciones naturales de los mismos o que puedan afectar la salud, la higiene o el bienestar del público

FENOMENOS TERMICOS

Los fenómenos térmicos son aquellos que están relacionados con la emisión y la absorción del calor. Estos fenómenos pueden ser encontrados en cada actividad que el hombre realiza diariamente: el calentamiento de la atmósfera por la radiación solar, la climatización de los locales por medio del aire acondicionado, la cocción de los alimentos y su refrigeración.

Una característica general de los fenómenos térmicos es que existen cuerpos que ceden energía en forma de calor, y otros que son capaces de absorber dicha energía. Con el objetivo de caracterizar cuantitativamente la emisión o la absorción del calor, se ha establecido el concepto cantidad de calor.

La cantidad de calor (Q) se define como la energía cedida o absorbida por un cuerpo de masa (m), cuando su temperatura varía en un número determinado de grados. La cantidad de calor (Q) está relacionada directamente con la naturaleza de la sustancia que compone el cuerpo. La dependencia de la cantidad de calor con la naturaleza de la sustancia se caracteriza por una magnitud denominada calor específico de la sustancia.

El calor específico de la sustancia se representa con la letra C y se define como la cantidad de calor requerida por la unidad de masa de una sustancia para variar su temperatura en 1 °C. El calor específico (C) se expresa en unidades de energía [joule (J), kilocaloría (kcal), caloría (cal), etc.)] por unidades de masa [(gramo (g), kilogramo (kg), libra (lb), etc.] y temperatura [grado centígrado (°C)].

La fórmula que permite determinar la cantidad de calor (Q) cedida o absorbida por un cuerpo de masa (m) y calor específico (C), cuando su temperatura inicial (ti) varía hasta la temperatura final (tf,), se puede calcular mediante la fórmula: Q = C m (tf - ti ).

En esta fórmula, el resultado numérico de la cantidad de calor (Q) se expresa en unidades de energía: J, kcal o cal. A partir de esta fórmula es posible apreciar que la cantidad de calor (Q) es directamente proporcional a la masa (m) del cuerpo, su calor específico (C) y a la diferencia de temperaturas: (tf - ti).

Un cuerpo de masa (m) puede variar su temperatura inicial mediante un fenómeno térmico si absorbe o cede cierta cantidad de calor (Q). Al considerar que la energía no puede ser creada ni destruida de acuerdo con la ley de conservación de la energía, entonces la energía absorbida (o cedida) por un cuerpo debe, en principio, ser cedida (o absorbida) por otro cuerpo. En estos procesos de emisión y absorción de energía desempeña un papel muy importante el proceso de combustión, ya que en un número considerable de fenómenos térmicos se logra el desprendimiento de energía de los cuerpos, mediante su combustión.

Durante la combustión de los cuerpos, el desprendimiento de calor se realiza de forma diferente de acuerdo con las características físicas y químicas del cuerpo en cuestión. Una magnitud que permite caracterizar cuantitativamente el desprendimiento de calor de los cuerpos durante la combustión, es el denominado calor específico de combustión, que se representa con la letra l.

Se define el calor específico de combustión (l) como la cantidad de calor (Q) que cede la unidad de masa del cuerpo al quemarse totalmente. El calor específico de combustión (l) se expresa en unidades de energía (J) por unidades de masa (kg) y depende del tipo de combustible. Iguales masas de combustibles diferentes, desprenden diferentes cantidades de calor (Q) al quemarse totalmente. De otro modo, masas diferentes del mismo combustible desprenden, también, diferentes cantidades de calor (Q). La cantidad de calor (Q) desprendida por cierta masa (m) de combustible, al quemarse totalmente, puede ser calculada mediante la fórmula: Q = l m.

El calor específico de combustión generalmente se relaciona con los materiales considerados como combustibles tradicionales (petróleo, carbón, alcohol, leña, etc.), pero también puede ser asociado con los combustibles alternativos; por lo que es importante conocer las potencialidades combustibles de diferentes materiales que no se emplean con frecuencia en la combustión, mediante el conocimiento de sus calores específicos de combustión.

LA ENTROPIA

En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850.^[1] ^[2] Y Ludwig Boltzmann quien encontró la manera de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto de vista de la probabilidad.

^{Ya que tenemos estos conocimientos previos de lo que es la entropía debemos aplicarlos a las termociencias, supongamos que tenemos un sistema termodinámico, es decir, algo donde se propague el calor, digamos un comal para hacer tortillas de harina, cuando el calor o la energía calorífica se propaga al comal, podemos decir que el comal está calentado por completo, pero estaríamos cayendo en un error monumental debido a que nunca habrá un equilibrio térmico perfecto, porque el comal está en contacto con el aire, y el comal está calentando al aire y el aire le roba calor al comal.
En realidad si pudiéramos de alguna forma observar con unas gafas especiales este sistema enclavado o ubicado que se está llevando acabo en ese momento podríamos observar un desorden a nivel molecular o de partícula, podríamos ver u observar las partículas que componen al comal de un color encarnado mientras que las partículas del aire se van colorando a razón de que pasen por el comal.
Podremos ver también a nivel molecular un gran desorden de partículas del aire chocando unas con otras debido a la cantidad de calor que están ganando, es cuando se dice que la entropía aumenta en el sistema, alguna vez podría estar en equilibrio ese sistema, la respuesta sencillamente es no, debido a que se necesitaría calentar el aire de todo el planeta para que estuviera en equilibrio con el comal, y aún en esas condiciones no estarían en equilibrio debido a que habría que calentar el sistema circundante es decir todo el sistema solar para que el sistema en realidad estuviera en equilibrio y aun así no lo estaría porque habría que calentar todo el universo y hay que recordar que el universo está en continua expansión.}

SEGUNDA LEYDE LA TERMODINAMICA

La segunda ley de la termodinámica o segundo principio de la termodinámica expresa que:

La cantidad de entropía del Universo tiende a incrementarse con el tiempo.

Es una de las leyes más importantes de la física; aún pudiéndose formular de muchas maneras todas llevan a la explicación del concepto de irreversibilidad.

Contenido

[ocultar]

La definición formal del segundo principio de la Termodinámica establece que:

En un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud función dichos parámetros, llamada entropía.

La entropía de un sistema es una magnitud física abstracta que la mecánica estadística identifica con el grado de desorden molecular interno de un sistema físico. La termodinámica clásica, en cambio, la define como la relación entre el calor transmitido y la temperatura a la que se transmite. La termodinámica axiomática, en cambio, define a la entropía como una cierta función –a priori, de forma desconocida–, que depende de los llamados "parámetros característicos" del sistema, y que sólo puede definirse para los estados de equilibrio del sistema.

Dichos parámetros característicos se establecen a partir de un postulado derivado del primer principio de la termodinámica, llamado a veces el principio de estado. Según éste, el estado de equilibrio de un sistema queda totalmente definido por medio de la energía interna del sistema, su volumen y su composición molar. Cualquier otro parámetro termodinámico, como podrían serlo la temperatura o la presión, se define como una función de dichos parámetros. Así, la entropía será también una función de dichos parámetros.

El segundo principio de la termodinámica establece que dicha entropía sólo puede definirse para estados de equilibrio termodinámico, y que de entre todos los estados de equilibrio posibles –que vendrán definido por los parámetros característicos–, sólo se puede dar el que, de entre todos ellos, maximiza la entropía.

Las consecuencias de este enunciado son sutiles: al considerar un sistema cerrado tendente al equilibrio, los estados de equilibrio posibles incluyen todos aquellos que sean compatibles con los límites o contornos del sistema. Entre ellos se encuentra, evidentemente, el estado de equilibrio de partida. Si el sistema varía su estado de equilibrio desde el de partida a otro, ello es debido a que la entropía del nuevo estado es mayor que la del estado inicial; si el sistema cambia de estado de equilibrio, su entropía sólo puede aumentar. Por tanto, la entropía de un sistema aislado termodinámicamente sólo puede incrementarse. Como el sistema aislado por antonomasia es el propio universo, el segundo principio de la termodinámica suele resumirse en que:

La cantidad de entropía del Universo tiende a incrementarse con el tiempo.

SIn embargo, la termodinámica axiomática no reconoce al tiempo como una variable termodinámica. Formalmente, la entropía sólo puede definirse para estados en equilibrio. En el proceso que va de un estado de equilibrio a otro no hay estados de equilibrio, por lo que la entropía en dichos estados de no-equilibrio no puede definirse sin incurrir en inconsistencias formales dentro de la propia termodinámica. Así, la entropía no puede ser una función del tiempo, por lo que hablar de variaciones de la misma en el tiempo es formalmente incorrecto.

Cuando se hace, es debido a que se ha presupuesto que en el proceso de un estado de equilibrio a otro se ha pasado por infinitos estados intermedios de equilibrio, procedimiento que permite introducir al tiempo como parámetro. En tanto en cuanto el estado de equilibrio final sea aquél de máxima entropía posible, no se habrá incurrido en una incosistencia frontal por cuanto dichos estados de equilibrio intermedios no han afectado al único real (el final).

En un sentido general, el segundo principio de la termodinámica es la ley de la física que afirma que las diferencias entre un sistema y sus alrededores tienden a igualarse. En un sentido clásico, esto se interpreta como la ley de la física de la que se deriva que las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a igualarse. Esto significa que un sistema aislado llegará a alcanzar una temperatura uniforme. Una máquina térmica es aquella que provee de trabajo eficaz gracias a la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos. Dado que cualquier máquina termodinámica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es, se requerirá de la alimentación de energía del exterior.

El segundo principio se usa a menudo como la razón por la cual no se puede crear una máquina de movimiento perpetuo. En efecto, el segundo principio lleva implícito el establecer la posibilidad de que un determinado fenómeno o proceso, por lo demás consistente con alguna otra ley de la física, pueda en realidad ocurrir. Por ejemplo, podría razonarse que, en virtud del primer principio de la termodinámica, nada impide que, espontáneamente, sea posible extraer calor de un cuerpo frío, por ejemplo a 200K, para transmitírselo a otro caliente, por ejemplo a 1000K: basta con que se cumpla el balance energético correspondiente, a consecuencia del cual el cuerpo frío se enfriaría aún más, y el caliente se calentaría más aún. Sin embargo, el segundo principio establece que tal fenómeno es imposible. Esto no sólo se extiende a fenómenos o procesos físicos o ingenieriles que impliquen algún proceso térmico, sino que el segundo principio se encuentra íntimamente enraizado en todas las ramas de la física: de todas las leyes de la naturaleza, el segundo principio es probablemente uno de los más comprobado, y desde luego el más firmemente reconocido, de manera que se considera como algo indispensable que toda nueva teoría física o todo nuevo fenómeno teorizado, por muchas otras teorías previas a las que contradiga, lo cumpla estrictamente.

Esquema general de las máquinas térmicas

Esquema general de las máquinas térmicas Junto a la conversión de trabajo en calor puesta de manifiesto en las experiencias de Joule, la transformación efectuada en sentido inverso es físicamente realizable. Los motores de explosión que mueven, en general, los vehículos automóviles y la máquina de vapor de las antiguas locomotoras de carbón, son dispositivos capaces de llevar a cabo la transformación del calor en trabajo mecánico. Este tipo de dispositivos reciben el nombre genérico de máquinas térmicas

Las máquinas térmicas son aquellos dispositivos que se utilizan para transformar la energía (de un tipo a otro), y que en su funcionamiento producen un intercambio de calor. Dentro de las clases de máquinas térmicas, hay dos grandes grupos: los motores y los generadores. En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica. En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina. Tal distinción es puramente formal: Los motores térmicos, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica. Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

Ninguna máquina térmica alcanza un rendimiento del cien por cien. Esta limitación no es de tipo técnico, de modo que no podrá ser eliminada cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel superior al actual; se trata, sin embargo, de una ley general de la naturaleza que imposibilita la transformación íntegra de calor en trabajo. Por tal motivo las transformaciones energéticas que terminan en calor suponen una degradación de la energía, toda vez que la total reconversión del calor en trabajo útil no está permitida por las leyes naturales.

Máquinas térmicas y eficiencia de máquinas ideales y reales

La eficiencia en una maquina térmica es la relación entre el trabajo mecánico producido y el calor suministrado, la formulas es la siguiente:

e = T / Q1 = (Q1-Q2)/Q1 = (T1-T2)/T1 donde:
T = trabajo mecánico (cal, Joule)
Q1 = calor suministrado (cal, Joule)
Q2 = calor obtenido (cal, Joule)
T1 = trabajo de entrada (cal, Joule)
T2 = trabajo de salida (cal, Joule)
e = eficiencia (%)

La eficiencia de una máquina térmica depende entre qué temperaturas trabaje... porque esto es fundamental
pero lo que importa es que esto junto con las características de fabricación de dicha máquina hace que se produzcan determinadas pérdidas de calor que producen una disminución de la eficiencia y por lo tanto la máquina no entrega el 100 % de su rendimiento como sería en un caso ideal, sino que tiene un rendimiento menor...

Recuerda que una máquina térmica consiste en un instrumento que genera trabajo mecánico a partir de energía térmica, pero no toda la energía térmica la transforma en energía mecánica sino que parte de esta energía se disipa al medio ambiente o medio frío....

Ahora, profundizando un poco más, sabemos que ninguna máquina puede tener un rendimiento mayor al de la llamada máquina térmica de Carnot... que se determina en base a las temperaturas entre las cuales operaría dicha máquina, pero sería en condiciones también ideales... para la fabricación de la máquina.
Por supuesto, existen consideraciones de diseño que impiden que las máquinas reales
alcancen el rendimiento de la máquina de Carnot. Así, las indeseables pérdidas de energía, por
fricción, conducción, radiación, reducen drásticamente el rendimiento de las máquinas reales. Pero
estas pérdidas de rendimiento se pueden suprimir en parte mediante nuevos diseños, materiales más
avanzados o mejores lubricantes, haciendo que se acerque el rendimiento de la máquina real al de la
máquina de Carnot. Sin embargo, el máximo rendimiento que cualquier máquina funcionando entre
dos focos puede tener, siempre será el de la máquina de Carnot funcionando entre ambos focos.