Fisica 1 : 2016

sábado, 17 de septiembre de 2016

Cambio de Estado (Fases)

En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición.

Normalmente, una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a

Q=mL

donde L se denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase y “m” es la masa de la sustancia.

Por ejemplo, para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334·10³ J/kg. Para que cambie de líquido a vapor a 100 ºC se precisan 2260·10³ J/kg.

En la siguiente tabla, se proporcionan los datos referentes a los cambios de estado de algunas sustancias.

Sustancia	T fusión ºC	L_f ·10³ (J/kg)	T ebullición ºC	L_v ·10³ (J/kg)
Hielo (agua)	0	334	100	2260
Alcohol etílico	-114	105	78.3	846
Acetona	-94.3	96	56.2	524
Benceno	5.5	127	80.2	396
Aluminio	658.7	322-394	2300	9220
Estaño	231.9	59	2270	3020
Hierro	1530	293	3050	6300
Cobre	1083	214	2360	5410
Mercurio	-38.9	11.73	356.7	285
Plomo	327.3	22.5	1750	880
Potasio	64	60.8	760	2080
Sodio	98	113	883	4220

Los cambios de estado se pueden explicar de forma cualitativa del siguiente modo:

En un sólido los átomos y moléculas ocupan las posiciones fijas de los nudos de una red cristalina. Un sólido tiene en ausencia de fuerzas externas un volumen fijo y una forma determinada.

Los átomos y moléculas vibran, alrededor de sus posiciones de equilibrio estable, cada vez con mayor amplitud a medida que se incrementa la temperatura. Llega un momento en el que vencen a las fuerzas de atracción que mantienen a los átomos en sus posiciones fijas y el sólido se convierte en líquido. Los átomos y moléculas siguen unidos por las fuerzas de atracción, pero pueden moverse unos respecto de los otros, lo que hace que los líquidos se adapten al recipiente que los contiene pero mantengan un volumen constante.

Cuando se incrementa aún más la temperatura, se vencen las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos y moléculas en el líquido. Las moléculas están alejadas unas de las otras, se pueden mover por todo el recipiente que las contiene y solamente interaccionan cuando están muy próximas entre sí, en el momento en el que chocan. Un gas adopta la forma del recipiente que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible.

Un ejemplo clásico en el que se utilizan los conceptos de calor específico y calor latente es el siguiente:

Donde se utilizará la siguiente formula: Q = m·Ce·(Tf-Ti)

Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a 100ºC. Los datos son los siguientes:

Calor específico del hielo c_h=2090 J/(kg K)
Calor de fusión del hielo L_f=334·10³ J/kg
Calor específico del agua c=4180 J/(kg K)
Calor de vaporización del agua L_v=2260·10³ J/kg

Etapas:

Se eleva la temperatura de 1g de hielo de -20ºC (253 K) a 0ºC (273 K)

Q₁=0.001·2090·(273-253)=41.8 J

Se funde el hielo

Q₂=0.001·334·10³=334 J

Se eleva la temperatura del agua de 0º C (273 K) a 100 ºC (373 K)

Q₃=0.001·4180·(373-273)=418 J

Se convierte 1 g de agua a 100ºC en vapor a la misma temperatura

Q₄=0.001·2260·10³=2260 J

El calor total Q=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄=3053.8 J.

jueves, 18 de agosto de 2016

Arquímedes y Empuje

Arquímedes Y Empuje

Arquímedes de Siracusa, nació en el año 287 a.C y fue un fisico, ingeniero, inventor, astrónomo y matemático griego. Aunque se conocen pocos detalles de su vida, es considerado uno de los científicos más importantes de la Antigüedad Clásica. Entre sus avances en física se encuentran sus fundamentos en hidrostática , estática, la explicación del principio de la palanca y el principio de Empuje, del cual tratará esta exposición.

Este principio explica los fenómenos que experimenta un objeto al estar en un líquido y además también se puede usar para determinar el volumen y la densidad de un sólido irregular.

· Principio de Arquímedes

Cuando se sumerge un cuerpo en un líquido parece que pesara menos ya que todo cuerpo sumergido recibe una fuerza de abajo hacia arriba. Lo podemos sentir cuando nos sumergimos en una piscina, o cuando tomamos algo por debajo del agua

Cuando en un vaso lleno de agua sumergimos un objeto, podemos ver que el nivel del líquido sube y se derrama cierta cantidad de líquido. Se puede decir que un cuerpo que flota desplaza parte del agua.

Estos fenómenos pueden ser explicados mediante el Principio de Arquímedes el cual afirma que: “Todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje, de abajo hacia arriba, igual al peso del líquido desalojado.”

Para determinar el volumen y la densidad de un sólido irregular a partir de este principio, nos podemos basar en la siguiente formula:

¿Qué es la fuerza de empuje?

Es una fuerza vertical ascendente de abajo hacia arriba, que se produce en los fluidos cuando un cuerpo es introducido a este, además es la fuerza que permite que ciertos objetos floten dependiendo de la densidad del fluido y del objeto.

La fuerza de empuje tiene su origen en la diferencia de presión entre la parte superior y la parte inferior del cuerpo sumergido en el fluido (a más profundidad más presión, por lo que las partes más profundas de un cuerpo sumergido tienen más presión que las más cercanas a la superficie, y por la tanto, la resultante será el empuje hacia arriba.

Cuerpos sumergidos

Sobre un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas; su peso, que es vertical y hacia abajo y el empuje que también es vertical pero hacia arriba.

Si queremos saber si un cuerpo flota es necesario conocer su peso específico, que es igual a su peso dividido por su volumen.

Entonces, se pueden producir tres casos:

1. si el peso es mayor que el empuje ( P > E ), el cuerpo se hunde. Es decir, el peso específico del cuerpo es mayor al del líquido.

2. si el peso es igual que el empuje ( P = E ), el cuerpo no se hunde ni emerge, quedará en equilibrio. El peso específico del cuerpo es igual al del líquido.

3. Si el peso es menor que el empuje ( P < E ), el cuerpo flota. El peso específico del cuerpo es menor al del líquido.

· Ejemplo, con un caso práctico: ¿por qué los barcos no se hunden?

Los barcos no se hunden porque su peso específico es menor al peso específico del agua, por lo que se produce un empuje mayor que mantiene el barco a flote.

Esto a pesar de que el hierro o acero con que están hechos generalmente los barcos es de peso específico mayor al del agua y se hunde (un pedazo de hierro en el agua se va al fondo), pero si consideramos todas las partes del barco incluyendo los compartimientos vacíos, el peso específico general del barco disminuye y es menor al del agua, lo que hace que éste se mantenga a flote.

martes, 22 de marzo de 2016

Relacion Trabajo-Energía

Trabajo y energía son conceptos que empezaron a utilizarse cuando se abordó el estudio del movimiento de los cuerpos.

Trabajo

En física se produce trabajo sólo si existe una fuerza que al actuar sobre un cuerpo da lugar a un desplazamiento. El trabajo es una forma de transferencia o cambio en la energía: cambia la posición de una partícula (la partícula se mueve). Por lo que puede decirse que el trabajo es “energía en movimiento”. Se denomina con la letra W

Energía

Energía es la capacidad para realizar un trabajo o para transferir calor; la energía a su vez se presenta como energía calórica, energía química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden ser además potencial, cinética o mecánica.

La energía potencial es la que posee una sustancia debido a su posición espacial o composición química

la energía cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento.

La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un sistema mecánico. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.

Trabajo-Energía

El concepto de trabajo está ligado íntimamente al concepto de energía y ambas magnitudes se miden en la misma unidad, el joule. El trabajo desarrollado por una fuerza es producido por algún tipo de energía. Dicha energía se transforma en trabajo, de ahí que compartan la misma unidad de medida el Joule que se expresa con la letra J.

Principio de la conservación de energía

En los procesos ideales la cantidad de energía útil inicial y final es la misma. En los procesos reales la cantidad de energía útil inicial es mayor que la cantidad de energía útil final debido a las pérdidas de energía ocurridas durante el proceso.

Proceso Ideal: E_u inicial = E_u final

Proceso Real: E_u inicial = E_u final + pérdidas

Se denominan pérdidas a las transformaciones de energía no deseadas pero que ocurren inevitablemente en el proceso real.

Teorema Trabajo energía

El teorema trabajo y energía enuncia lo siguiente:

“Cuando la velocidad de un cuerpo pasa de un valor a otro, la variación de la energía cinética que experimenta es igual al trabajo realizado por la fuerza neta que origina el cambio de velocidad”

de manera que el trabajo neto realizado sobre un cuerpo es igual al cambio de la energía cinética

W = ∆K = K(2) - K(1)

Ejemplo1

Si se tiene un cuerpo en una posición A y al trasladarlo hacia una posición B, el trabajo realizado para vencer las fuerzas de rozamiento que se oponen al desplazamiento implica un consumo de energía, por lo tanto en el punto B el cuerpo tendrá menor cantidad de energía.

Todos los procesos que impliquen fricción producen una transformación de energía en calor y como éste no se puede aprovechar decimos que se consume energía.

Si tenemos una partícula que se mueve una distancia bajo la acción de una fuerza constante F, el trabajo realizado se define de la siguiente forma

Trabajo = Fuerza × Distancia

W=F · s

Ejemplo 2

Si tenemos un plano inclinado sin rozamiento, al tener un cuerpo en el punto A se le debe suministrar una cierta cantidad de energía para trasladarlo al punto B, en el cual el cuerpo poseerá mayor cantidad de energía. En este caso se ha efectuado una acumulación de energía.

Como F_s=F cos θ

W = F s cos θ

sábado, 13 de febrero de 2016

Movimiento Circular Uniformemente Variado

El movimiento circular uniformemente variado o MCUV se presenta cuando un móvil con trayectoria circular aumenta o disminuye su velocidad de forma constante en cada unidad de tiempo por lo que la magnitud de su aceleración angular pertenece constante.

Un Movimiento Circular Uniformemente Variado puede ser acelerado si se incrementa su velocidad angular uniformemente a medida que pasa el tiempo o Retardado si la misma disminuye uniformemente con el tiempo.

Ejemplos de MCUV son:

Las hélices de un avión o helicóptero
Un auto haciendo una curva a velocidad constante
Las ruedas de un vehículo o una bicicleta

Una Lavadora

Una licuadora

Un ventilador

Un molino

El rotor en un motor

Para la resolución de problemas de MCUV se utilizaran magnitudes Angulares y Tangenciales (También llamadas Lineales)

Magnitudes Angulares

* Velocidad Angular: La velocidad angular es una medida de la velocidad de rotación y es la rapidez con la que varía el ángulo en el tiempo, se designa mediante la letra griega ω y se mide en rad/s (2 π [radianes] = 360°). Para calcular la velocidad final angular se utiliza la siguiente formula.

ω= V/R

*Desplazamiento angular: es la distancia recorrida por un cuerpo que sigue una trayectoria circular y se expresa frecuentemente en radianes (rad) grados (º) ciclos (c) y revoluciones (rev). Se expresa con la letra griega tita y sus fórmulas son:

*Aceleracion angular: es la variación de la velocidad angular en el tiempo. Se denota por la letra griega alfa α y se expresa en radianes por segundo al cuadrado (rad/s²)

Magnitudes Tangenciales

*La velocidad tangencial: es la velocidad del móvil (distancia que recorre en el tiempo). Por lo tanto para distintos radios y a la misma velocidad angular, el móvil se desplaza a distintas velocidades tangenciales. A mayor radio y a la misma cantidad de vueltas por segundo, el móvil recorre una trayectoria mayor, porque el perímetro de esa circunferencia es mayor y por lo tanto la velocidad tangencial también es mayor. La velocidad tangencial se mide en unidades de espacio sobre unidades de tiempo, por ejemplo [m/s], [km / h], etc. Se calcula como la distancia recorrida en un período de tiempo.

*Aceleración tangencial: Es la variación de la velocidad tangencial en el tiempo, se designa con las letras y se mide en m/seg^2..La fórmula para calcular la aceleración tangencial es la siguiente:

* Desplazamiento tangencial: Es la distancia recorrida por un cuerpo que sigue una trayectoria circular, se mide en mentros y se designa con la letra S. Sus fórmulas son las siguientes: