UNIDAD 5 AUTOR: PROFESOR RENE ANDRADE

Modificado: PROFESOR DAGOLEÓN ZAPATA

Bajo Contrato Exclusivo para: CAPACITACION 2000

FÍSICA CICLO 5

CAPACITACIÓN 2000

UNIDAD 5 TERMODINÁMICA - HIDRAULICA TERMODINÁMICA La Termodinámica es el estudio de las propiedades de la energia térmica y de sus propiedades. ENERGIA TERMICA: Todos los cuerpos se componen de pequeñas partículas que se mueven constantemente en algunos con mayor rapidez que en otros. De la velocidad del movimiento de las partículas depende si los cuerpos están vivos o calientes. La energía térmica es la unión de la energía cinética y potencial que generan el movimiento de las partículas internamente: CALOR: Si dos cuerpos se encuentran a diferentes temperaturas el de mayor temperatura cederá calor al de menor temperatura. Es decir las temperaturas de dos cuerpos no se adicionan sino se equilibran. No hay que confundir calor con temperatura, ya que la temperatura es la medida de la cantidad de calor de un cuerpo y se puede dar en grados Kelvin, grados Fahrenheit y grados centígrados. El calor es una forma de energia producida por la diferencia de temperaturas. DILATACIÓN: Variación de longitud, superficie y/o volumen de un cuerpo por aumento o disminución de su temperatura. A mayor temperatura los objetos tienden a aumentar de longitud, área o volumen. El agua es un fluido que al estar a 4ºC bajo cero, aumenta su volumen, es decir se dilata.

ESCALAS DE TEMPERATURAS

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Fueron creadas para medir el calor de los cuerpos. Se fundamentan en los puntos de fusión y ebullición del agua (agua congelada y agua hirviendo) Existen tres escalas: 1- Celcios ºC 2- Fahrenheit ºF 3- Kelvin o absoluta ºK En las tres escalas los puntos de fusión y Ebullición son diferentes.

Escala Celcios Escala Fahrenheit Escala Kelvin

Punto de fusión del agua 0ºC 32ºF 273,15ºK

Punto de ebullición del agua 100ºC 212ºF 373,15ºK

Fueron creadas por poder medir el calor de los cuerpos, establecida

Agua hirviendo Temp. Del cuerpo Agua congelada

100º C

373º K

212º F

37º C

310º K

98º F

0º C

273º K

32º F

-273º C

0º K

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-460º F

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CONVERSIÓN DE ESCALAS • Conversión de grados Celsius a kelvin ºC +237,15 • Conversión de Celsius a Fahrenheit (ºC*1,8)+32 • Conversión de Fahrenheit a Celcius º F − 32 =º C 1,8

• Conversión de Kelvin a Celsius ºK-273,15 Ejemplo Convertir de Celcius a Kelvin a. 0º C

(0º C + 273 ,15) = 273,15º K

b. 273º C

(273º C + 273,15) = 546,15º K

c. 2225º C

(2225º C + 273,15) = 2498º K

d. 38º C

(38º C + 273,15) = 311,15º K

e. 350º C

(350º C + 273,15) = 623,15º K

Ejemplo: convertir de grados Celsius a Fahrenheit a. 37º C

(37º C x 1, 8) + 32 = 98, 6º F

b. 23º C

(23º C x 1, 8) + 32 = 73, 4º F

c. 327º C

(327º C x 1, 8) + 32 = 620, 6º F

d, 2315º C

(2315º C x 1, 8) + 32 = 4199º F

e. 100º C

(100º C x 1, 8) + 32 = 212º F

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Ejemplo: Convertir de Fahrenheit a grados Celcius. a) 212ºF

(212ºF-32) = 180 = 100ºC 1.8 1.8

b) 540ºF

(540-32) = 508 = 282.2ºC 1.8 1.8

c) 132ºF

d) 48ºF

(132-32)= 100=55.5 1.8 1.8 48-32 = 16 = 8.9ºC 1.8 1.8

Realiza la Siguiente Actividad EJERCICIOS 1. a. b. c. d.

Convertir de º C a º K 8315º C 2000º C 1º C -23º C

2. a. b. c. d.

Convertir de º C a º F 15000º C 1000000º C 500º C -1º C

3. a. b. c. d.

Convertir de º F a º C – 715º F – 40 º F 270º F – 460º F

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LEYES DE LA TERMODINÁMICA 1. Ley cero: Si un sistema A se encuentra en equilibrio térmico con un sistema B y este a su vez con un sistema C, se puede afirmar que A y C se encuentran en equilibrio térmico. 2. Primera ley: El calor absorbido por un cuerpo se convierte en trabajo útil y hay un incremento en su energía interna. 3. Segunda ley: trabajo útil.

Ninguna máquina térmica convierte todo el calor en

4. Teorema de Carnot: Una máquina térmica alcanzará su máxima eficiencia entre dos temperaturas dadas cuando alcancen dos procesos isotérmicos (temperatura constante) y dos procesos adiabáticos (no hay intercambio de calor entre el sistema y el ambiente). Ejercicios: 1- Cuál sera el punto de ebullición del gas Helio en grados Celcios, sí en grados Kelvin es de 4,22ºK. 2- La temperatura absoluta del punto de ebullición del gas Nitrogeno es de 77ºK. Determine en las otras dos escalas Celcios y Fahrenheit esta temperatura. 3- La temperatura de fusión del gas Hidrógeno es de –259,14ºC , determine en grados Kelvin. 4- Combierta de grados Celcios a grados Kelvin. a-)18ºC b-)100ºC 5abcde-

c-)-100ºC d-)300ºC

e-)27ºC

Convierta de grados Kelvin ºK a grados Celcios ºC 300ºK 245ºK 180ºK 418ºK 500ºK

Hidráulica: Es la utilización de los conceptos estudiados en la hidrostática, hidrodinámica y neumática en aplicaciones técnicas. Hidrostática: Estudia los fluidos en reposo. Hidrodinámica: Estudia los fluidos en movimiento.

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Neumática: Aplicación de la hidrostática e hidrodinámica en los gases. Fluido: Todo cuerpo que toma la forma del recipiente que lo contiene, puede desplazarse fácilmente. Ejemplo: Líquidos (agua, aceite), gases (oxígeno, hidrógeno). Densidad: Es la relación entre la masa de un cuerpo y el volumen del espacio que ocupan. Los fluidos pueden ser compresibles (que se pueden comprimir) como en el caso de los gases, e incompresibles (que no se pueden comprimir) como en el caso de los líquidos. Presión: Fuerza ejercida perpendicularmente por unidad de área. Presión =

Fuerza Área

P=

F A

Sus unidades son N/m² en el sistema MKS. 1 baria = d/cm² en el sistema CGS. Ejemplo: Cuál es la presión determinada por una fuerza de 70 dinas sobre un área de 40 cm². P=

F A

P=

70d = 1.75 d/cm² 40cm²

Densidad: Masa por unidad de volumen. Se simboliza con δ δ = Densidad

m = masa

δ=

m V

m=δ·V

V=

m δ

V = Volumen Ejemplo: Cuál es la densidad de un fluido cuya masa es de 2kg y ocupa un volumen de 1.750 cm³.

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Planteamiento: m = 2kg V = 1.750 cm³ δ=? Solución: Utilizamos la fórmula:

δ=

m V

δ=

2kg 1.750cm³

Reemplazando tenemos:

2kg = 2.000 gr δ=

2000gr 1.750cm³

δ = 1.14 gr/cm³ Presión hidrostática: Fuerza ejercida por la columna de agua sobre un cuerpo sumergido. Está dada por la fórmula:

P = Presión δ = Densidad del fluido g = 9.8m/s² h = Altura

P = δ gh

Ejemplo: Cuál es la presión hidrostática que experimenta un cuerpo sumergido en una piscina a 6m de profundidad si la densidad del fluido es de 1.02 gr/cm³.

Planteamiento: P=? δ = 1.02 gr/cm³ = 1020 kg/m³ h = 6m g = 9.8m/s²

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Solución:

P=δ·g·h ⎛ 1020kg ⎞ P= ⎜ ⎟ (9.8m/s²) (6m) ⎝ m³ ⎠ P = 59.976 N/m² Presión atmosférica: Presión ejercida por el peso de la capa de aire sobre la superficie de un planeta. Se mide en atmósferas. Su descubridor fue Evangelista Torricelli (1608 – 1646).

1 atmósfera = 1.013 x 106 d/cm² = 1.013 x 105 N/m². Principio de Pascal: La presión ejercida a un fluido se propaga en igual magnitud a todos los puntos del recipiente que los contiene.

Aplicación: La prensa hidráulica, el gato hidráulico. F1 = Fuerza 1 F2 = Fuerza 2 A1 = Área 1 A2 = Área 2 F1 F = 2 A1 A 2

F1 =

F2 · A 1 A2

F2 =

F1 · A 2 A1

Área de la circunferencia π · r² Ejemplo: Qué fuerza efectúa el cilindro de mayor área = 100 cm² al aplicar una F = 50N sobre el cilindro de área igual a 4 cm².

Planteamiento: F1 = 50N A1 = 4 cm²

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A2 = 100 cm² F2 = ? Solución:

F2 =

F1 · A 2 A1

F2 =

50N · 100cm² 4cm²

F2 =

5000N 4

Reemplazando tenemos:

F2 = 1.250N Principio de Arquímedes: Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza llamada empuje en dirección contraria e igual al peso del fluido desalojado. Por esta razón los barcos flotan ya que el casquete de este desplaza gran cantidad de fluido. Además los cuerpos en el agua pesan menos.

Empuje = (densidad del fluido) (volumen del fluido desalojado) (aceleración de la gravedad) E = (δf) (Vf) (g)

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Realiza el siguiente Taller TALLER 1. Convertir de º C a º K

e. f. g. h. 2.

e. f. g. h. 3.

e. f. g. h.

8315º C 2000º C 1º C -23º C Convertir de º C a º F 15000º C 1000000º C 500º C -1º C Convertir de º F a º C – 715º F – 40 º F 270º F – 460º F

4 Convertir ºK aºC a) –273.15ºK b) –100ºk c) 39ºK d) 0ºK 5 El punto de ebullición del Hierro es 3000ºC, expresarla en grados ºF 6 El punto de fusión del Cobre es 1083ºC expresarlo en gradosºk 7 Diga si es verdad o falso a) La Termodinámica estudia la energia de los cuerpos ( ) b) La diferencia de temperatura produce el calor en los cuerpos ( ) c) La dilatación de los cuerpos depende de la variación de Temperatura ( ) d) La escala de temperatura es un instrumento para medir el calor de los cuerpos( ) e) La temperatura a la que el agua se congela se llama temperatura de fusion( ) f) La temperatura ala que una sustancia hierve se llama temperatura de fusion ( )

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g) Un cuerpo convierte en trabajo útil el calor absorvido por él ( )

h) Por lo menos una máquina convierte el calor absorvido en trabajo útil ( ) i) La hidráulica aplica técnicamente a la hidrostática y la hidrodinámica ( ) j) La hidráulica no tiene nada que ver con la mecánica de fluidos ( ) k) Los líquidos son compresibles ( ) l) Los gases no son incompresibles ( )

m) Las unidades de la presión son N ( ) n) La presión del sistema C.G.S se mide en barias ( ) o) El volumen por unidad de masa se llama densidad ( ) p) En el principio de Arquimedes, el empuje es directamente proprocional a la constante gravitacional ( ) 1) Calcule la masa en kilogramos de 1000Cm3 de gas Xenón si su densidad es de 3.06 gramos 2)

Calcule la densidad 5000Cm3de Nitrógeno sí su masa es de 4.04Kgr 3) Calcule la presión, en los sistemas M.K.S y C.G.S, ejercida por un cuerpo sobre una superficie de 0.8m con una fuerza de 1500Newton 4) Determine la presión hidrostática sobre un cuerpo sumergido en un tanque a 20 metors de profundidad. 5) Sí a una prensa hidráulica se le aplica una fuerza de 28N sobre una superficie de 7 cm2 , cuál sera la fuerza resultante sobre una superficie de 80 cm 2

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