PRIMER CURSO. INGENIERÍA QUÍMICA Plan de la asignatura

FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INGENIERÍA CURSO 07/08 DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA III

1) PROFESORADO      ­ Francisco Barranco Paulano  ­ Alberto Casado Rodríguez  ­ Fátima Masot Conde     ­ Ana Marco Ramírez

2) OBJETIVOS Los objetivos de la asignatura son: i) que los alumnos asimilen  las leyes básicas de la Física que fundamentan la Ingeniería,  haciendo especial énfasis en aquellas ramas que tienen más peso en  la Ingeniería Química; ii) que los alumnos adquieran la actitud  genuina del análisis científico de los problemas; iii) que los  alumnos aprendan las técnicas básicas de los cálculos físicos. 

3) REQUISITOS ACADÉMICOS    Es muy conveniente haber cursado Matemáticas y Física durante el  Bachillerato.

   4) CRITERIOS DE EVALUACIÓN     1. Como criterio fundamental de evaluación, se señala el  conocimiento de los contenidos del temario y la formación propia  de esta materia en cuanto a hábitos de razonamiento, métodos de  cálculo, vocabulario apropiado, destreza en el análisis y  resolución de problemas, aplicación correcta de las leyes de la  Física, adecuado empleo del análisis dimensional y de las unidades 

de medida.     2. Será requisito imprescindible para poder aprobar la  asignatura haber realizado y aprobado las Prácticas de  Laboratorio.     3. Exámenes parciales. El curso está dividido en dos  cuatrimestres; primer cuatrimestre: Mecánica; segundo  cuatrimestre: Fluidos, Electricidad y Magnetismo Óptica,  Estructura de la Materia y Termodinámica, con una prueba parcial  al finalizar cada cuatrimestre. La superación de alguna de ellas  supone la eliminación de la materia correspondiente hasta la  convocatoria de Septiembre. A la nota obtenida en cada examen  parcial se añadirá (hasta un máximo de 1 punto) la obtenida  mediante los trabajos voluntarios.      4. Exámenes Ordinarios.  El alumno sólo tiene que presentarse a la parte de la asignatura no superada en pruebas parciales. Caso de haber superado las dos pruebas parciales el alumno no tiene obligación de presentarse a examen. El alumno tiene derecho a presentarse a la asignatura completa, aun cuando haya superado alguna de las pruebas parciales o ambas.     5. Calificación. La calificación global de la asignatura, será  la media aritmética de los dos parciales, si la puntuación de cada  parcial es superior o igual a 4,0 puntos, más la nota de prácticas  (de 0 a 1 punto), aprobándose si se obtiene una nota superior o  igual a 5,0. Si se ha presentado a examen ordinario, la nota  global será la de éste, o la media con la materia eliminada por  parciales, si ambas son mayores o iguales a 4,0 (más la nota de  prácticas), y en caso contrario será la menor de ellas. El  aprobado se obtiene con un mínimo de 5,0 puntos.   

5) METODOLOGÍA DOCENTE    La metodología seguida es básicamente la clásica: clases de  pizarra teóricas y de problemas, además de las sesiones de  laboratorio, que se realizan en grupos de dos alumnos. Todo esto  se complementa con trabajos voluntarios (unos cuatro por parcial)  sobre temas de especial interés que los profesores van proponiendo  en clase a lo largo del curso.

   

      6) PROGRAMA

      PRIMER CUATRIMESTRE       MECÁNICA       1. MEDIDAS       Medidas. Cantidades Físicas, patrones y unidades. Marcos de       referencia. Patrones de longitud, tiempo y masa.        Sistemas de unidades. Teoría de errores.   

      2. VECTORES       Vectores y escalares. Suma de vectores (método geométrico).       Descomposición y suma de vectores (método analítico). Productos       de vectores: escalar, vectorial, mixto, doble vectorial.        Vectores deslizantes. Momento respecto a un punto. Vectores           ligados.

      3. CINEMÁTICA DEL PUNTO        Sistemas de referencia. Velocidad y aceleración. Componentes        intrínsecas de la velocidad y la aceleración. Movimientos        elementales en una dimensión y en un plano. Movimiento        relativo; de traslación y de rotación.

      4. DINÁMICA DE LA PARTÍCULA­I (Fuerzas)       Introducción. Leyes de Newton. Sistemas de referencia       inerciales. Fuerzas básicas de la Naturaleza. Masa inercial y        masa gravitatoria. Fuerzas reales y fuerzas ficticias. Límites        de validez de la mecánica clásica.

      5. DINÁMICA DE LA PARTÍCULA­II (Trabajo)       Trabajo y energía cinética. Potencia. Fuerzas conservativas.       Energía potencial. Solución completa del problema para fuerzas       en una dimensión que dependen exclusivamente de la posición.       Fuerzas conservativas en dos y tres dimensiones. Gradiente.

      6. DINÁMICA DE LA PARTÍCULA­III (Cantidad de            movimiento y momento angular)       Cantidad de movimiento y sus teoremas. Momento angular y sus       teoremas. Fuerzas centrales y conservación del momento angular.

      Movimiento en un campo gravitatorio.

      7. SISTEMAS DE PARTÍCULAS       Sistemas de partículas. Centro de masas. Teorema de la cantidad       de movimiento. Teorema del momento angular. Teorema de la        energía. Colisiones. 

      8. EL SÓLIDO RÍGIDO       El sólido rígido. Momento angular y energía cinética. Sólido              libre. Sólido con eje de rotación fijo. Movimiento giroscópico.        Equilibrio de un cuerpo rígido. Fuerza de rozamiento y         equilibrio. Fuerzas internas. Equilibrio de sistemas de cuerpos        rígidos articulados.

    

      FLUIDOS  

      9. FLUIDOS       Introducción. Presión y densidad. Variación de la presión en un       fluido en reposo. Principios de Pascal y de Arquímedes. Medida       de la presión. Flujo. Líneas de corriente. Ecuación de        continuidad. Ecuación de Bernoulli; aplicaciones. Campos de        flujo.  

 

     SEGUNDO CUATRIMESTRE     ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO      10. CAMPO ELÉCTRICO      Carga eléctrica. Conductores y aislantes. Ley de Coulomb.      Principio de superposición. Campo eléctrico: de una carga 

     puntual; de una distribución de cargas puntuales; de una       distribución continua de carga. Ley de Gauss. Distribución       de carga en un conductor. Otras aplicaciones de la Ley de       Gauss.

     11. POTENCIAL ELÉCTRICO       Circulación del campo eléctrico. Diferencia de potencial.       Gradiente y campo eléctrico. Potencial debido a una carga       puntual. Principio de superposición. Potencial debido a una       distribución de carga. Potencial creado por un dipolo. Potencial       en un conductor. Energía potencial eléctrica. Energía de una       distribución de cargas. Energía y campo eléctrico.

     12. CONDENSADORES Y DIELÉCTRICOS       Capacidad. Condensadores. Asociaciones. Condensador plano con       dieléctrico. Dieléctricos; comportamiento de los átomos.       Polarización. Cargas de polarización. Vector desplazamiento. Ley       de Gauss para dieléctricos. Energía electrostática en presencia       de dieléctricos.

     13. CORRIENTE Y RESISTENCIA       Corriente y densidad de corriente. Resistencia, resistividad y      conductividad. Ley de Ohm. Resistividad; comportamiento de los       átomos. Disipación de energía en un circuito eléctrico. Fuerza       electromotriz. Circuitos simples. Leyes de Kirchoff.       Circuitos RC.

     14. CAMPO MAGNÉTICO      El campo magnético. Ley de Lorentz. Definición de B. Fuerza      magnética sobre una corriente. Momento sobre una espira. El       ciclotrón. Ley de Biot­Savart y Ley de Ampere. Aplicaciones.

     15. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA      Experimentos de Faraday. Ley de inducción de Faraday. Ley de       Lenz. Campos magnéticos variables con el tiempo. El betatrón.        Inducción y movimiento relativo. Inductancia. Circuito LR.       Energía y campo magnético. Densidad de energía.

     16. PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA

     Polos y dipolos. Ley de Gauss para el magnetismo.       Paramagnetismo. Diamagnetismo. Ferromagnetismo. Magnetismo       nuclear. Magnetización. Corrientes de magnetización.

     17. OSCILACIONES. ECUACIONES DE MAXWELL Y ONDAS           ELECTROMAGNÉTICAS      Circuito LC. Oscilaciones forzadas y resonancia. Campos         magnéticos inducidos y Corriente de desplazamiento. Ecuaciones          de Maxwell. Ondas planas. El vector de Poynting. Radiación. 

    ÓPTICA  

     18. LUZ. REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN      La luz y el espectro electromagnético. Energía y cantidad de      movimiento. Efecto Doppler. Principio de Huygens. Reflexión y      Refracción. Reflexión total interna. Principio de Fermat. Óptica      geométrica y óptica ondulatoria. Ondas esféricas: espejo plano;       espejo esférico; dioptrio esférico. Lentes delgadas.

     19. INTERFERENCIAS Y DIFRACCIÓN       Introducción; el experimento de Young. Coherencia. Suma de       perturbaciones ondulatorias. Difracción: rendija       simple; rendija doble; abertura circular. Redes de difracción.       Rayos­X y ley de Bragg.

     ESTRUCTURA DE LA MATERIA      20. LUZ. DUALIDAD ONDA­PARTÍCULA. EL ÁTOMO.           EL NÚCLEO.      Efecto fotoeléctrico. Teoría de los fotones de Einstein. Efecto       Compton. Espectro del átomo de hidrógeno. Teoría de Bohr. Ondas       de De­Broglie. Ecuación de ondas de Schroedinger. Solución en un       pozo de potencial unidimensional. El átomo de hidrógeno. Momento       magnético. Spin del electrón. El neutrón y el protón.      Energía de enlace nuclear. Fórmula semiempírica de     

     masas; modelo de la gota líquida. Potencial nuclear. Números       mágicos y abundancias. Radiación alfa. Radiación beta. Radiación       gamma. Fisión. Fusión.      

     TERMODINÁMICA      21. PRINCIPIOS BÁSICOS Y TEMPERATURA       Introducción. Variables termodinámicas. Sistemas termodinámicos.      Equilibrio termodinámico. Transformaciones termodinámicas.      Procesos reversibles e irreversibles. Principio cero.      Concepto de temperatura. Escalas. Termómetro de gas a volumen      constante. Temperatura absoluta. Punto fijo estandard. Escala      internacional. 

     22. CALOR Y TRABAJO      Naturaleza del calor. Unidades caloríficas. Capacidad calorífica       y calor específico. Medida de la capacidad calorífica.       Microcalorímetro de Tian­Calvet. Calor específico de los gases.       Calor específico de los sólidos. Trabajo. Diagramas P­V. Trabajo       en sistemas gaseosos. Variables extensivas e intensivas. El       trabajo en diversos sistemas termodinámicos. Coeficientes de       dilatación, de compresibilidad y piezotérmico. Aplicación al            trabajo en sólidos.

     23. PRIMER PRINCIPIO      Equivalencia entre calor y trabajo. Energía interna; el primer      principio de la termodinámica. Aplicaciones. Calores de       reacción; Entalpía. Calor específico direccional.         Sistemas abiertos: Flujo estacionario; ejemplos.

     24. GASES IDEALES Y GASES REALES      Leyes de los gases ideales: ley de Boyle­Mariotte; Ley de Gay­      Lussac; Ecuación de estado; Ley de Dalton; Ley de Joule; Ley de       Mayer. Energía interna y entalpía: en un gas ideal; en una       mezcla de gases ideales. Transformaciones adiabáticas en un gas       ideal. Formula de Reech. Trabajo en una transformación       adiabática. Gases reales. Ecuaciones de estado. Saturación y       punto crítico. Estados metaestables. Ecuación de Van der Waals.       

     25. SEGUNDO PRINCIPIO Y ENTROPÍA

     Segundo principio: enunciado de Kelvin­Planck; enunciado de       Clausius. Ciclo de Carnot. Temperatura termodinámica. Teorema de       Clausius. Definición de entropía. Cálculos de variaciones de       entropía en procesos reversibles: cambio de fase; adiabático; a       volumen constante; en gases perfectos. Entropía de una mezcla de       gases ideales inertes. Entropía e irreversibilidad. Desigualdad      de Clausius y principio de evolución. Interpretación estadística       de la entropía. 

     26. FUNCIONES TERMODINÁMICAS      Introducción. Función de Helmholtz. Función de Gibbs.       Propiedades de las funciones termodinámicas. Condiciones de       equilibrio termodinámico. Potencial químico. Sistemas de varios       componentes. Cambios de fase de primer y segundo orden. Fórmula           de Clausius­Clapeyron. 

     27. TRANSMISIÓN DEL CALOR      Introducción. Regímenes estacionario y transitorio.       Conductividad calorífica: ley de Fourier. Aplicaciones. Ecuación       general de conducción térmica en un sólido isótropo. Analogías       termoeléctricas. Flujo lineal de calor en una barra. Ondas       térmicas. Convección calorífica. Conducción y conductividad       combinadas. Radiación.  

  7) BIBLIOGRAFÍA

       Serway y Jewet, Física I y II, ed. Thomson      Resnick y Halliday, Física I y II.      Sear, Zemansky, Young y Freedman, Física Universitaria,      Tipler y Mosca, Física para la ciencia y la tecnología, ed. Reverte       J. Aguilar, Termodinámica y Mecánica Estadística.      Alonso y Finn, Física.      Feynman, Física I, II y III.      Reitz, Milford y Christy, Fundamentos de la Teoría                                 Electromagnética.

  

   8) PRÁCTICAS

         1. Medidas geométricas, errores de medida.         2. Ecuación de Estado de los gases ideales         3. Leyes de Newton         4. Momentos de inercia. Teorema de Steiner         5. Ley de Ohm         6. Construcción de un voltímetro y un óhmetro         7. Determinación de la constante de Planck mediante el efecto            fotoeléctrico         8. Interferómetro de Michelson