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CONCEPTOS BÁSICOS

Jorge Cruz Hernández Física English

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CONCEPTOS BÁSICOS

1.1 TERMODINÁMICA Y ENERGÍA
- Termodinámica
  - Ciencia de la energía
  - Primera ley de la termodinámica
    - La energía es una propiedad termodinámica
  - Segunda ley de la termodinámica
    - La energía tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía
  - Rama de la física que se ocupa de la energía y sus transformaciones en los sistemas
- Energia
  - Capacidad para causar cambios
  - Principio de conservación de la energía
    - Durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante
      - La energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma (primera ley)
  - El cambio en el contenido energético de un cuerpo o de cualquier otro sistema es igual a:
    - - Diferencia entre la entrada y la salida de energía
1.2 ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE
- La conversión de una energía a otra afecta frecuentemente y en diversas formas al ambiente y al aire que respiramos
  - - El smog
      - Constituido de ozono ubicado al nivel del suelo (O3)
    - El ozono
      - Irrita los ojos y daña los alvéolos de los pulmones en los que se intercambia oxígeno y dióxido de carbono
  - La fuente más grande de contaminación del aire son los motores de los vehículos
    - Liberan contaminantes que se agrupan como hidrocarburos (HC), óxidos de nitrógeno (NOx) y monóxido de carbono (CO)
  - Lluvia ácida
  - Efecto invernadero
  - Calentamiento global
  - Cambio climático
1.3 REPASO DE SISTEMAS DE UNIDADES
- Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones
  - Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades
- Dimensiones Primarias o Fundamentales
  - masa (m)
  - longitud (L)
  - temperatura (T)
  - tiempo (t)
- Dimensiones secundarias o Dimensiones derivadas
  - Velocidad (V)
  - Energía (E)
  - Volumen (V)
- Actualmente se usan dos sistemas de unidades:
  - El sistema métrico (SI)
    - Sistema simple y lógico basado en una relación decimal entre las distintas unidades
      - Las siete dimensiones fundamentales y sus unidades en el SI
      - Prefijos estándar en unidades SI
    - La unidad de fuerza es el newton (N)
      - Fuerza requerida para acelerar una masa de 1 Kg a razón de 1 m/?2
        1 N= 1 kg.m/?2
  - El sistema ingles
    - No tiene base numérica sistemática evidente y varias unidades de este sistema se relacionan entre si de manera bastante arbitraria (12 pulgadas=1 pie, 1 milla=5280 pies, 4 cuartos=1 galón, etc.),
      - ejemplos de unidades SI e Inglesas
        Las unidades de masa y longitud en los dos sistemas se relacionan entre si mediante:
        1 lbm= 0.45359kg 1 ft= 0.3048 m
    - La unidad de fuerza es la libra-fuerza (lbf)
      - Fuerza requerida para acelerar una masa de 32.174 lbm (1 slug) a razón de 1 ft/?2
        1 lbf= 32.174 lbm. ft/?2
1.4 SISTEMAS ABIERTOS Y CERRADOS
- Sistema cerrado o masa de control
  - - Puede intercambiar energía con el entorno, pero no materia
      - Ejemplos
        Una botella con agua dentro del frigorífico
      - Cantidad de masa fija
      - Si la energia tampoco puede cruzar las fronteras se llama sistema aislado
- Sistema abierto volumen de control
  - - Puede intercambiar con el entorno tanto materia como energía, generalmente en forma de calor
      - Ejemplos
        La Tierra, una olla descubierta con agua hirviendo, la célula.
      - Region en el espacio
1.5 PROPIEDADES DE UN SISTEMA
- Propiedades intensivas
  - no dependen de la masa
  - Densidad
  - Presión
  - Temperatura
- Propiedades extensivas
  - Energia interna
  - Masa
  - Volumen
  - dependen de la masa
  - éstas por unidad de masa se llaman:
    - Propiedades especificas
      - Volumen especifico
        v=V/m
      - Energia total especifica
        e=E/m
1.6 ESTADO Y EQUILIBRIO
- Equilibrio
  - define un estado de balance
  - Equilibrio mecánico
    - se relaciona con la presión, y un sistema lo posee si con el tiempo no hay cambio de presión
  - Equilibrio químico
    - si su composición química no cambia con el tiempo, es decir, si no ocurren reacciones químicas.
  - Equilibrio térmico
    - En un estado de equilibrio no hay potencilaes desbalanceados (o fuerzas impulsoras) dentro del sistema
      - no experimenta cambios cuando es aislado de sus alrededores
      - Un sistema está en equilibrio térmico si tiene la misma temperatura en todo él
1.7 PROCESOS Y CICLOS
- Proceso
  - Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema
  - Trayectoria del proceso
    - Serie por la que pasa un sistema durante este proceso
      - Para describir completamente un proceso se debe especificar sus estados inicial y final
- Ciclos
  - Cuando el fluido se somete a diferentes procesos y vuelve a su estado original
    - Las propiedades definen el estado de ese fluido
      - Para medir o calcular estas propiedades, el fluido dentro del sistema debe encontrarse en una condición de equilibrio.
1.8 DENSIDAD
- Esta magnitud de la materia, es una medida del grado de compactación de un material o sustancia
- cantidad de masa por unidad de volumen
- Densidad absoluta
  - Se representa por ρ y sus unidades en el Sistema Internacional son el kilogramo por metro cúbico (kg/m3)
    - Su formula se expresa, ρ=m/V
      - ρ es la densidad
      - m es la masa
      - V es el volumen del determinado cuerpo
  - varía con los cambios de presión y temperatura
- Densidad relativa
  - Es la relación existente entre la densidad de esa sustancia y la otra sustancia que se escoja de referencia
    - Es una magnitud adimensional (sin unidades)
      - ρr=ρ/ρ0
        ρr es la densidad relativa
        ρ es la densidad de la sustancia
        ρ0 es la densidad de la sustancia tomada de referencia
1.9 TEMPERATURA Y LA LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
- Ley cero de la termodinámica
  - Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí
  - o Ley del equilibrio térmico
- Temperatura
  - Percepción macroscópica de la energía interna de las moléculas de un cuerpo
  - La temperatura que se usa en termodinámica es la temperatura absoluta
    - La escala de temperatura termodinámica en el SI es la escala Kelvin
  - Escalas
    - La escala Kelvin se relaciona con la Celsius mediante
      - T (K)= T (°C) + 273.15
    - La escala Rankine se relaciona con la Fahrenheit mediante
      - T (R) =T (°F) + 459.67
    - Las escalas de temperatura en los dos sistemas de unidades se relacionan mediante
      - T (R) =1.8T (K)
      - T (°F)= 1.8T (°C) + 32
1.10 PRESIÓN
- Fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área
  - Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido
    - Tiene como unidad los newtons por metro cuadrado (N/m2)
      - También conocida como pascal (Pa)
        1 Pa = 1 N/m^2
    - La presión también se usa para sólidos como sinónimo de esfuerzo normal
      - Es la fuerza que actúa perpendicularmente a la superficie por unidad de área
- La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta
  - se mide respecto al vacío absoluto
1.11 FORMAS DE ENERGÍA
- Energía térmica
  - se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia
    - La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor
- Energía eléctrica
  - Causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores
    - produce, fundamentalmente, 3 efectos
      - luminoso
      - Térmico
      - Magnético.
- Energía radiante
  - Poseen las ondas electromagnéticas
    - la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR), etc.
    - se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno.
- Energía química
  - Se produce en las reacciones químicas
    - Una pila o una batería poseen este tipo de energía
- Energía nuclear
  - Energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de:
    - fisión
      - Fragmentación de un núcleo "pesado" (con muchos protones y neutrones) en otros dos núcleos de, aproximadamente, la misma masa, al mismo tiempo que se liberan varios neutrones.
    - fusión
      - Unión de varios núcleos "ligeros" (con pocos protones y neutrones) para formar otro más "pesado" y estable, con gran desprendimiento de energía