Hernández Martínez Manuel Alfonso Gpo: 23Alejandro Rojas Tapia

Cuestionario PrevioLaboratorio de TermodinámicaEquivalente mecánico del calor

1) ¿Qué es la energía?El término energía proviene del griego ἐνέργεια/energeia, actividad, operación; ἐνεργóς/energos: fuerza de acción o fuerza trabajando. Se puede definir como la capacidad que de un sistema para producir un cambio.2) Mencione quince formas de energía.

Física clásica

En la mecánica se encuentran:

Energía mecánica, que es la combinación o suma de los siguientes tipos: o Energía cinética: relativa al movimiento.o Energía potencial: la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas

conservativo. Por ejemplo, está la Energía potencial gravitatoria y la Energía potencial elástica (o energía de deformación, llamada así debido a las deformaciones elásticas). Una onda también es capaz de transmitir energía al desplazarse por un medio elástico.

En electromagnetismo se tiene a la:

Energía electromagnética, que se compone de: o Energía radiante: la energía que poseen las ondas electromagnéticas.o Energía calórica: la cantidad de energía que la unidad de masa de materia

puede desprender al producirse una reacción química de oxidación.o Energía potencial eléctrica (véase potencial eléctrico)o Energía eléctrica: resultado de la existencia de una diferencia de potencial

entre dos puntos.

En la termodinámica están:

Energía interna, que es la suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema.

Energía térmica, que es la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica) mediante la combustión.

Física relativista

En la relatividad están:

Energía en reposo, que es la energía debida a la masa según la conocida fórmula de Einstein, E=mc2, que establece la equivalencia entre masa y energía.

Energía de desintegración, que es la diferencia de energía en reposo entre las partículas iniciales y finales de una desintegración.

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Al redefinir el concepto de masa, también se modifica el de energía cinética

Física cuántica

En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además de la energía asociada a la materia ordinaria o campos de materia, en física cuántica aparece la:

Energía del vacío: un tipo de energía existente en el espacio, incluso en ausencia de materia.

Química

En química aparecen algunas formas específicas no mencionadas anteriormente:

Energía de ionización, una forma de energía potencial, es la energía que hace falta para ionizar una molécula o átomo.

Energía de enlace, es la energía potencial almacenada en los enlaces químicos de un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta clase de energía, en función de la entalpía y energía calórica.

Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular (véase Ruta metabólica).

3) Describa las formas por las que un sistema puede intercambiar energía con su entorno.-Trabajo:Se produce al aplicar una fuerza en el sistema, causando un desplazamiento en el punto de aplicación de la fuerza-Ondas Mecánicas:Ocurre por medio de perturbaciones a través del aire o cualquier otro medio, un ejemplo de esto es el sonido, que al ocurrir perturbaciones en el aire se generan ondas.-Calor:Ocurre por una diferencia de temperaturas entre dos o más sistemas.-Transferencia de materia:Es en la cual la materia cruza la frontera del sistema, llevando energía con esta.-Transmisión eléctrica:Implica la transferencia de energía por medio de corrientes eléctricas-Radiación electromagnética:Se refiere a las ondas electromagnéticas como la luz, microondas, ondas de radio, etc.

4) Mencione diez ejemplos de transformaciones de energía.Hidráulica a motriz: hidroeléctrica

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Motriz a eléctrica: hidroeléctricaMotriz a mecánica: motorEléctrica a motriz: motorEólica a mecánica: molinoQuímica a cinética: globo aerostáticoEléctrica a magnética: electroimánQuímica a atómica: fisión nuclearQuímica a motriz: calderaQuímica a calórica: combustión del petróleo

5) ¿Cuál es la relación existente entre el calor y el trabajo?La comprobación de este tipo de relación fue uno de los objetivos experimentales perseguidos con insistencia por el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889).La energía mecánica puesta en juego era controlada en el experimento de Joule haciendo caer unas pesas cuya energía potencial inicial podía calcularse fácilmente de modo que el trabajo W, como variación de la energía mecánica, vendría dado por:

W = DEp = m · g · hSiendo m la masa de las pesas, h la altura desde la que caen y g la aceleración de la gravedad.Por su parte, el calor liberado por la agitación del agua que producían las aspas en movimiento daba lugar a un aumento de la temperatura del calorímetro y la aplicación de la ecuación calorimétrica:

Q = m c (Tf - Ti)Permitía determinar el valor de Q y compararlo con el de W.Tras una serie de experiencias en las que mejoró progresivamente sus resultados, llegó a encontrar que el trabajo realizado sobre el sistema y el calor liberado en el calorímetro guardaban siempre una relación constante y aproximadamente igual a 4,2. Es decir, por cada 4,2 joules de trabajo realizado se le comunicaba al calorímetro una cantidad de calor igual a una caloría. Ese valor denominado equivalente mecánico del calor se conoce hoy con más precisión y es considerado como 4,184 joules/calorías. La relación numérica entre calor Q y trabajo W puede, entonces, escribirse en la forma:

W (joules) = 4,18 · Q(calorías)

6) Explique la diferencia entre temperatura, transferencia de calor y energía interna.La temperatura y la energía interna son propiedades de la termodinámica, el calor no.El calor es una forma de transferencia de energía por medio de una diferencia de temperaturas entre dos o varios sistemasLa temperatura es la propiedad termodinámica asociada al equilibrio térmicoLa energía interna es la suma de la energía cinética y potencial de las partículas de la sustancia del sistema.

7) ¿Qué es una transformación adiabática?Una transformación adiabática es una transformación durante la cual el sistema no intercambia calor con el medio en ningún momento de la misma. En consecuencia, para que una transformación sea adiabática, deberá cumplirse que Q = 0.

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8) Cuando un sistema sufre un proceso muy rápido, aunque sus paredes no sean aislantes térmicas dicho proceso puede considerarse adiabático, ¿Por qué?Porque al producirse tan rápido, el tiempo para intercambiarse la energía en forma de calor es insignificante.

9) ¿Qué es el trabajo? Mencione sus unidades y diga como calcular el trabajo asociado a:Sus unidades son Nm=Joule, lbfft, Kgfm, Kwh.

La compresión y expansión de un gas

W =−∫V i

V f

PdV

Un sistema eléctricoδW=− ∑

fronteradelsistema

f n ∙d xn− ∑frontera del

sistema

f s ∙ d xs

Un campo magnéticoδW=− ∑

fronteradelsistema

f n ∙d xn− ∑frontera del

sistema

f s ∙ d xs

El aumento de tamaño de una burbujaW =P1V −P2V =( P1−P2 ) V

Un eje o flecha cuando está girando

W =2 πnTn=numero de revoluciones que realiza la flecha.

10) Explique en qué consiste el experimento de Joule, que dispositivo fue el que utilizo y cuáles eran sus características.Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje. La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción. Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.

1cal=4.186J

En la simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento en las poleas, etc.Sea M la masa del bloque que cuelga y h su desplazamiento verticalm la masa de agua del calorímetro

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T0 la temperatura inicial del aguay T la temperatura finalg=9.8 m/s2 la aceleración de la gravedad La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente ecuación.

Mgh=mc(T-T0)Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).

Como el calor especifico del agua es por definición c=1 cal/(g °C), obtenemos la equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.

11) ¿Por qué no es conveniente hablar del contenido de calor y del contenido de trabajo mecánico de un sistema?Porque tanto el calor como el trabajo no son propiedades, son formas de transferencia de la energía de un sistema a otro o de una sustancia a otra pero no le pertenece a un sistema o sustancia.