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COLEGIO NACIONAL NICOLAS ESGUERRA
“EDIFICANDO FUTURO”
AREA DE CIENCIAS NATURALES JORNADA TARDE
FISICA 11º
Guía de Suficiencia académica
NOMBRE:
PROFESOR: MIGUEL A. NIETO SANCHEZ.
CURSO: 110 ___
FECHA: DD/MM/2015
No. DE LISTA:
COMPETENCIAS 1:
1. utilizar los mecanismos de transferencia para explicar el funcionamiento de máquinas térmicas.
2. Evidenciar experimentalmente los principios básicos de la mecánica de fluidos.
3. Resolver situaciones problema de la física que involucran circuitos básicos.
TEMÁTICAS:
-
Calor y trabajo - conversiones.
Resumen primera ley de la termodinámica
conservación de la energía.
Segunda ley de la termodinámica
Procesos reversibles e irreversibles.
Máquinas térmicas – motores y refrigeradores.
Eficiencia de las máquinas.
I.
CONTEXTUALIZACIÓN
Una teoría es tanto más grandiosa cuanto mayor es la
sencillez de sus premisas (…) De aquí la profunda
impresión que produjo en mi la Termodinámica. Es la
única teoría universal que (…) estoy convencido que
jamás será desechada.
Albert Einstein
Los estudios experimentales sobre dilatación térmica,
conducción térmica o calores específicos generaron
resultados que no dependen de la naturaleza del calor. El
hecho de que el calor específico del agua es 30 veces
mayor que el calor específico del mercurio es una relación
experimental que no puede ser afectada por los cambios en
la visión de los científicos sobre lo que es el calor (calórico,
movimiento o energía). Sin embargo, para mejorar la
eficiencia de las máquinas térmicas y conocer sus límites
teóricos, fue necesario conocer la naturaleza del calor y las
leyes generales que los procesos térmicos satisfacen.
La primera ley de la termodinámica es la ley de
conservación de la energía generalizada para incluir el calor
como una forma de transferencia de energía.
Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las
formas de energía debe estar acompañado por una
disminución en alguna otra forma de la misma.
La primera ley no produce ninguna restricción sobre los
tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir.
Además no hace distinción entre el trabajo y el calor.
De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un
sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o
realizando un trabajo sobre el sistema.
Pero existe una diferencia muy importante entre el trabajo y
el calor que no se evidencia de la primera ley. Por
ejemplo,es posible convertir completamente el trabajo en
calor, pero en la práctica, es imposible convertir
– Resistencia.
- Ley de ohm
– Circuito Eléctrico
- Voltaje
- Intensidad.
completamente el calor en trabajo sin modificar los
alrededores.
Entregable 1: (Actividad de Observación)
Favor siga las siguientes indicaciones:
1. Vierta dos o tres decilitros (200 – 300 cm3) de agua en
una olla y tápela.
2. Sitúe la olla sobre un fogón de la estufa.
Consigne en el cuaderno los siguientes pasos:
3. Observe y describa lo que pasa a medida que se eleva la
temperatura.
4. ¿Por qué ocurre lo que observa?
Cuando la presión ha aumentado suficientemente, el vapor
caliente levanta la tapa por un lado y escapa. Después de
eso, la tapa regresa a su posición y cierra la olla. En poco
tiempo se habrá formado, dentro de laolla, nuevo vapor
caliente capaz de levantar la tapa y escapar. De esta
manera, la tapa sube y baja hasta que se evapora toda el
agua de la olla.
Este fenómeno, que ocurre diariamente en las cocinas,
demuestra que el vapor caliente puede realizar trabajo
mecánico (levantar la tapa y expandirse). Como
consecuencia, su energía interna disminuye.
Si se quiere que el movimiento de la tapa continúe, se
puede proceder de dos maneras. Una es fácil: verter más
agua en la olla. La otra es mucho más difícil: juntar el
vapor de agua que escapa, enfriarlo para que se condense y
regresar el agua a la olla; esta manera difícil, sin embargo,
es la base para la construcción de la máquina de vapor que
fue la causa de la revolución industrial.
Como hemos visto, es posible convertir completamente el
trabajo mecánico en energía interna. Para perfeccionar las
máquinas de vapor fue necesario responder la pregunta: ¿Es
posible, en un proceso en que el vapor regresa a su estado
inicial, convertir completamente su energía interna en
trabajo mecánico?
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Para responder esa importante pregunta, los ingenieros y
científicos del pasado hicieron muchas investigaciones,
tanto experimentales como teóricas y llegaron a una
respuesta negativa, conocida como la segunda ley de la
termodinámica.
Entregable 2:
1. Realice un mapa conceptual donde se exponga un resumen
de la rama de la física llamada TERMODINÁMICA.
2. Elabore un resumen biográfico de las principales
contribuciones a la termodinámica de los siguientes
científicos: NicolasLéonardSadi
Carnot,
Rudolf
Clausius y Lord Kelvin.
II.
ESTRUCTURACIÓN
LA SEGUNDA LEY de la termodinámica establece cuales
procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los
procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de
conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son
algunos procesos compatibles con la primera ley de la
termodinámica, pero que se cumplen en un orden
gobernado por la segunda ley.
1) Cuando dos objetos que están a diferente
temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el
calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero
nunca del más frío al más cálido.
2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero
la extracción de la sal del agua requiere alguna
influencia externa.
3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso,
rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso
nunca ocurre.
Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es
decir procesos que ocurren naturalmente en una sola
dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden
temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de
la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los
procesos termodinámicos establece una dirección del
tiempo.
La segunda ley de la termodinámica, que se puede enunciar
de diferentes formas equivalentes, tiene muchas
aplicaciones prácticas. Desde el punto de vista de la
ingeniería, tal vez la más importante es en relación con la
eficiencia limitada de las máquinas térmicas. Expresada en
forma simple, la segunda ley afirma que no es posible
construir una máquina capaz de convertir por
completo, de manera continua, la energía térmica en
otras formas de energía.
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte
energía térmica en otras formas útiles de energía, como la
energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una
máquina térmica es un dispositivo que hace que una
sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el
cual
1) SE ABSORBE CALOR DE UNA FUENTE A ALTA
TEMPERATURA,
2) LA MÁQUINA REALIZA UN TRABAJO Y
3)LIBERA
CALOR
A
UNA
FUENTE
A
TEMPERATURA MÁSBAJA
Por ejemplo, en un motor de gasolina,
1) el combustible que se quema en la cámara de
combustión es el depósito de alta temperatura,
2) se realiza trabajo mecánico sobre el pistón
3) la energía de desecho sale por el tubo de escape.
También se cumple en un proceso
para producir
electricidad. En una planta de potencia, el carbón o algún
otro tipo de combustible se queman y el calor generado se
usa para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia
las aspas de una turbina, poniéndola a girar.
Posteriormente, la energía asociada a dicha rotación se usa
para mover un generador eléctrico.
La eficiencia térmica, е (o simplemente eficiencia), de
una máquina térmica se define como la razón entre el
trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un
ciclo,
Se escribe de la forma:
e
e
W
QC
Q C  QF   1  QF %
QC
Qc
Observación: al ser el resultado adimensional este se
expresa en porcentaje
Se puede pensar en la eficiencia como la razón de lo que se
obtiene (trabajo mecánico) a lo que se paga por (energía).
Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una
eficiencia de 100% (e = 1) sólo si QF= 0, es decir, si no se
libera calor a la fuente fría. En otras palabras, una máquina
térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la
energía calórica absorbida QC en trabajo mecánico. La
segunda ley de la termodinámica, establece que esto es
imposible.
Por tanto el rendimiento del cuerpo humano, considerado
como un motor, es tan solo 10/100 que, expresado en
porcentaje, es igual al 10%.
Observa que el rendimiento se expresa en %, por tanto no
tiene unidades, dado que es un porcentaje. El trabajo y la
energía se expresan en Joule en el S.I.
Algunos ejemplos de rendimientos de algunos motores
frecuentes son:
-
Cuerpo humano
Motor gasolina
Máquina de vapor
Motor diesel
Motor eléctrico
(10 %)
(25 %)
(30 %)
(35 %)
(80 %)
Observa que no existe ningún motor en la realidad que
tenga un 100 % de rendimiento. Esto es razonable dado que
se va a “perder” algo de energía siempre debido al
rozamiento o fricción entre las piezas, que se liberará en
forma de calor.
Existen diferentes formas de enunciar la segunda ley de la
termodinámica, pero en su versión más simple, establece
que
“el calor jamás fluye espontáneamentede un objeto frío a
un objeto caliente”.
“es imposible construir una máquina térmica que,
operando en un ciclo, no tenga otro efecto que absorber
la energía térmica de una fuente y realizar la misma
cantidad de trabajo”.
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máquina de Carnot, operando entre las dos mismas
fuentes”.
Para calcular la eficiencia de una máquina de Carnot se
puede utilizar:
e  1
Esto es equivalente a afirmar que
“es imposible construir una máquina de movimiento
perpetuo (móvil perpetuo) de segunda clase”
Ejemplo resuelto:
a)
Calcular la eficiencia de una máquina que usa 2000
J de calor durante la fase de combustión y pierde 1500 J por
escape y por fricción.
b)
Si otra máquina tiene una eficiencia de 20% y
pierde 3000 J de calor por fricción, calcular el trabajo que
realiza.
a)
la eficiencia de una máquina está dada por la
ecuación
e = 1 – QF/Qc, es decir: e = 1 – (1500/2000)
e = 0,25 o 25%
b)
Datos:
e = 0,25
QF= 3000 J
Qc= ?
W=?
usando la ecuación e  1 
Donde
QF/QC= 1 – e
QF
se calcula QC= X2
Qc
QC= QF/ (1 – e)
Remplazando Qc = 3000 J / (1- 0,25)
Resultado Qc = 4000 J
Ahora se despeja W de e 
W
ya que
Qc
W = e Qc
W = 0,25 x 4000 J
Resultado W = 1000 J
El ciclo de Carnot (Sadi Carnot, francés, 1796 – 1832), es
de gran importancia desde el punto de vista práctico como
teórico. Carnot demostró que una máquina térmica que
operara en un ciclo ideal reversible entre dos fuentes de
calor, sería la máquina más eficiente posible. Una máquina
ideal de este tipo es llamada máquina de Carnot.
o bien
e  1
TF
Tc
De acuerdo a lo anterior: todas las máquinas de Carnot
que operen entre las dos mismas temperaturas de
manera reversible tienen la misma eficiencia.
A partir del ciclo de Carnot, se tiene que la eficiencia de
cualquier máquina reversible que opere en un ciclo
entre dos temperaturas, es mayor que la eficiencia de
cualquier máquina irreversible (real) que opere entre
las dos mismas temperaturas.
A continuación se presentan algunos link a los cuales
puedes acceder para profundizar este tema:
http://www.youtube.com/watch?v=dHTSbgjJUCM
http://www.youtube.com/watch?v=pOLRYcZcpbE
III.
SOLUCIÓN:
Datos:
QF = 1500 J
Qc= 2000 J
e= ?
QF
Qc
APLICACIÓN
1. ¿Cuál es la eficiencia de un motor que realiza 300J de
trabajo en cada ciclo, al tiempo que desecha 600J hacia
el medio ambiente?
2. Juan conoce que el motor de su automóvil BMW cuenta
con un 37% de eficiencia pero en cada ciclo pierde 400
J de calor. ¿Qué trabajo se realiza para movilizar este
vehículo y cuánto calor se absorbe en cada ciclo?
3. Una máquina de vapor recibe vapor sobrecalentado de
una caldera que trabaja a 200 °C y que lo arroja
directamente al aire a 100 °C. ¿Cuál es la eficiencia?
4. Una máquina de Carnot absorbe 1200 cal durante cada
ciclo cuando funciona entre 500 K y 300 K. ¿Cuál es la
eficiencia? ¿Cuánto calor es expulsado y cuánto trabajo
se realiza, en Joules, durante cada ciclo? 1 caloría
equivale a 4.18 Joules.
5. ¿Cuánto calor se extrae del recipiente frío si el
compresor de un refrigerador realiza 180 J de trabajo en
cada ciclo? El coeficiente de rendimiento es 4.0 ¿Cuánto
calor se expulsa hacia el recipiente caliente?
RESPUESTAS
1- 33.3%.
2- 235J, 635J
3- 21.1%.
4- 40%, 720cal, 2010J
5- 720J, 900J
6. How many times would you have to drop a 0.50-kg bag
of lead shot from a height of 1.5 m to heat the shot by
1.0 ºC?
7. En un proceso químico industrial se proporcionan a un
sistema 600 J de calor y produce 200 J de trabajo. ¿Cuál
es el incremento registrado en la energía interna de este
sistema?
8. Durante una expansión isobárica, una presión constante
de 250 kPa hace que el volumen de un gas pase de 1 a 3
L. ¿Qué trabajo realiza el gas?
El teorema de Carnot se enuncia de la siguiente forma:
“ninguna máquina térmica real que opera entre dos
fuentes de calor, puede ser más eficiente que una
9. Plantea un ejemplo en el cual la energía mecánica se
transforma en energía térmica y otro en el cual la
energía térmica se transforma en energía mecánica.
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10. No siempre que se suministra calor a una sustancia
aumenta su temperatura. Plantea un ejemplo que ilustre
esta situación.
11. No entra ni sale calor del sistema en un proceso a)
isotérmico, b) adiabático, c) isobárico, d) isométrico.
12. Según la primera ley de la termodinámica si se efectúa
trabajo sobre un sistema, a) la energía interna del
sistema debe cambiar, b) se debe transferir calor desde
el sistema, c) la energía interna del sistema debe
cambiar o se debe transferir calor desde el sistema.
CONTEXTUALIZACIÓN II
La Hidráulica se ocupa del estudio de las características de
los líquidos y su comportamiento, asimismo demuestra
las aplicaciones de éstos, por ejemplo, en presas, ductos,
tuberías, sistemas de riego, etc. Se divide en dos ramas: la
hidrostática (líquidos en reposo) y la hidrodinámica
(líquidos en movimiento). La utilización de los gases
y líquidos en la vida cotidiana es común: ¿Has utilizado
desodorante en aerosol? ¿Alguna vez han ajustado la silla
cuando te vas a cortar el cabello?, ¿Has usado el gato
hidráulico?, ¿Has inflado una llanta?, ¿Te han inyectado?
Si contestaste si por lo menos a una pregunta entonces has
sido “víctima” de la mecánica de fluidos. Los gases y los
líquidos son considerados fluidos porque poseen
propiedades similares, como ajustarseal recipiente que los
contiene o que sus moléculas están separadas y se mueven
con facilidad. En esta segunda parte de la guía nos
enfocaremos al estudio de los fluidos líquidos y sus
propiedades, que le permiten a la hidráulica mejorar
nuestra calidad de vida.
Entregable 1:
1. Investiga las siguientes definiciones y escriba al menos un
ejemplo de su aplicación.(Especificaciones: En el
respectivo cuaderno).
DEFINICIÓN
EJEMPLO
HIDRÁULICA
HIDROSTÁTICA
HIDRODINÁMICA
Figura 1: Modelo simplificado de un sólido en el que las
moléculas se mantienen unidas entre sí mediante fuerzas
elásticas.
Hidrostática
¡Oh no! Otra vez estás enfermo. Tienes calentura y el
médico te recetó unas inyecciones para ayudar a tu
recuperación. Entras a la sala de cuidados preventivos y la
enfermera acaba de preparar la jeringa para aplicarte el
medicamento. La enfermera intenta insertar la aguja en el
músculo pero ésta no penetra la piel pues estás tan
nervioso que no puedes relajarte, lo que provoca
contracción muscular. La enfermera lo intenta nuevamente
sin éxito y está a punto de clavarte la jeringa una tercera
vez cuando alguien le dice: ¡Cambia la aguja! La
enfermera realiza el cambio y te inyecta el medicamento
sin ningún problema. ¿Por qué crees que esta vez no te
dolió?
_______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
Presión
La fuerza aplicada sobre un área determinada recibe el
nombre de presión. Su expresión matemática es:
( )
ESTRUCTURACIÓN II
( )
( )
Usualmente medida en N/m2= Pa (Pascales)
Masa, volumen y gravedad
La densidad es una propiedad específica de la materia que
relaciona la masa de un cuerpo con el volumen ocupado en
el espacio.
( )
La presión sobre una superficie aumenta en relación a la
fuerza que se le aplica de manera proporcional. Esto quiere
decir que si le aumentamos el doble la fuerza entonces la
presión se aumentará el doble.
A mayor área la fuerza se distribuye en toda la superficie,
haciendo que la presión se vea reducida. En cambio,
cuando se aplica una fuerza a un área pequeña la presión
aumenta, debido a que la fuerza se concentra en un solo
punto.
( )
( )
Usualmente la densidad se mide en g/cm3 o kg/m3.
Las sustancias que poseen densidad elevada contienen una
mayor cantidad de partículas en un volumen definido.
El peso específico es una propiedad que relaciona la
densidad con la fuerza de atracción de la gravedad, es
decir, establece la relación entre el peso y el volumen del
objeto.
(
)
3
Éste es medido en N/m .
( )
( )
La presión hidrostática se define como la fuerza que ejerce
un líquido en reposo sobre la superficie de las paredes del
recipiente que lo contiene. Esta fuerza es perpendicular a
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las paredes del recipiente. El valor de la presión depende
de la naturaleza del líquido y la acción de la gravedad.
Al sumergirnos en una piscina sentimos la presión del agua
en cualquier parte de nuestro cuerpo pero, ¿por qué cuando
estamos parados sobre la piscina percibimos mayor presión
en los pies?
La presión absoluta se refiere tanto a la presión que posee
un líquido o un gas contenido en un recipiente hermético
como a la presión atmosférica que se ejerce sobre él y se
expresa de la siguiente manera:
Principios de la hidrostática. PASCAL
La presión para un fluido es la misma a una determinada
profundidad, la presión de un líquido varía de acuerdo a la
profundidad a la que se mide. Por ejemplo: imagina una
columna de líquido contenido en un recipiente a medida
que la profundidad aumenta, la masa del agua es mayor
con respecto a la parte superior del fluido y por tanto su
peso es mayor.
Si deseamos calcular la presión hidrostática, ésta estará
dada por:
Uno de los principios de la hidrostática fue aportado por
Blaise Pascal, quien por medio de sus observaciones llegó
a la conclusión de que: “Toda presión que se ejerce sobre
un líquido encerrado en un recipiente, se transmite con la
misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las
paredes del recipiente que lo contiene”. Este principio lo
demostró mediante tres experimentos: la jeringa de Pascal,
el tonel de Pascal y la prensa hidráulica.
Entregable 2:
1. Realiza un dibujo y una breve descripción de cada
uno de los tres experimentos que realizó Pascal
para demostrar el principio que lleva su nombre.
(Especificaciones: En el respectivo cuaderno).
Donde
es la presión hidrostática,
la densidad del
líquido, g la aceleración de la gravedad y h la profundidad.
Presión atmosférica
¿Conoces a alguien a quién le hayan medido la presión
arterial? ¿Sabes que esta presión es una consecuencia de la
presión atmosférica?
La presión atmosférica es la presión que ejercen los gases
de la atmósfera sobre los cuerpos que se encuentran debajo
de ella, de igual forma que con los líquidos. Por ejemplo,
la presión arterial depende de la presión atmosférica y es
un signo vital medido por los médicos para conocer el
estado de salud de un individuo.
Considerando que los gases y los líquidos se comportan de
la misma manera por ser fluidos, imagina una columna de
gases. En esta columna la presión también varía con
respecto a la altura. Cuantomayor sea la cantidad de gases
sobre un cuerpo, mayor será la presión sobre el mismo. Por
lo general la presión atmosférica se mide en pascales
(N/m2) o en atmósferas (atm) y una atmósfera es la presión
que ejerce una columna de mercurio de 76 cm de altura por
cm2 de sección transversal medido a una temperatura de 0
ºC. Otras unidades para medir la presión atmosférica son
las libras sobre pulgada cuadrada y las libras sobre pie
cuadrado.
Un ejemplo de este principio se observa más claramente en
los gatos hidráulicos usados en los autos para cambiar las
llantas de un auto. En esta herramienta una pequeña fuerza
actúa sobre un émbolo de menor área y se produce una
fuerza mayor sobre un émbolo mayor, lo que demuestra la
prensahidráulica. En esta, se considera que la presión del
líquido es la misma en todo el fluido y sobre las paredes
del recipiente, de manera que
. Es decir:
La presión manométrica y absoluta
Cuando eras un niño quizá jugaste con globos llenos de
agua. Tal vez algunas ocasiones los aventabas para mojar a
los demás niños al impactarse el globo contra ellos, sin
embargo, a veces se reventaban en el aire. ¿Por qué se
rompe el globo si no lo pinchaban o lo apretaban? En
realidad, lo que sucedía era que aumentaba su presión
interior por los golpes al momento de lanzarlos. Los
fluidos contenidos en un recipiente están expuestos
también a la presión atmosférica.
La presión manométrica se puede determinar por medio de
la resta de la presión atmosférica a la presión absoluta.
En donde:
F1: fuerza obtenida en el émbolo menor en Newtons (N).
A1: área del émbolo menor en metros cuadrados (m2)
F2: fuerza obtenida en el émbolo mayor en Newtons (N).
A2: área del émbolo mayor en metros cuadrados (m2)
Principios de la hidrostática. ARQUÍMEDES
Este personaje no solo hizo aportes a las matemáticas, sino
que gracias al “miedo de perder la cabeza” contribuye a la
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física con un principio: “Todo cuerpo sumergido en un
fluido recibe un empuje ascendente igual al peso
desalojado del fluido”. Esta presión se ejerce por todo el
fluido y cuando un objeto es capaz de romper la tensión
superficial y ser introducido, también es afectado por esa
presión El empuje es la fuerza que ejercen los fluidos por
acción de la presión sobre un objeto. Existen tres
condiciones:
1. Si el peso del objeto es menor al del empuje
realizado por el fluido, entonces el objeto
flota.
2. Si el peso del objeto es igual al del empuje
realizado, entonces el objeto quedará
sumergido en el fluido, de manera que las
fuerzas se equilibran.
3. Si el peso del cuerpo es mayor al del empuje
realizado, entonces el objeto se hunde.
Relación de entrada y salida
El gasto es la relación que existe entre la cantidad de
volumen del fluido a través de una tubería en determinado
tiempo. Este se puede expresar como:
( )
( )
( )
( )
( )
Y se mide en (m3/s).
El flujo se define como la cantidad de masa de fluido que
puede pasar a través de una tubería en determinado tiempo
y se escribe como:
( )
( )
( )
( )
( )
Medido en kg/s.
Ahora considerando que el volumen de líquido que entra
por la tubería es el mismo que el volumen que sale por
ella, podemos obtener una relación denominada ecuación
de continuidad. Esta relación establece que la cantidad de
líquido que pasa a través de una tubería angosta, lo hace a
mayor velocidad que cuando pasa por una tubería más
ancha.
El empuje puede expresarse de la siguiente manera:
pero como
entonces:
FLUIDOS EN MOVIMIENTO
Cuando caminas por una calle, puedes observar que hay
unas tuberías que conducen agua hacia las casas. ¿Alguna
vez te has subido a la azotea y observado el interior de un
tanque? ¿Cómo llega el agua hasta ese lugar? ¿De qué
manera se distribuye a las casas? ¿Cómo determinan
cuánto deben pagar al bimestre?
Como el volumen es constante, el gasto también lo es, así
que
G1
=
G2
o
Bernoulli
Hidrodinámica
Un fluido también puede moverse o desplazarse y la
hidrodinámica nos ayuda a estudiar este fenómeno. Para
facilitar la comprensión de estas características debemos
tomar en cuenta las siguientes reglas:



Los líquidos son incompresibles
La viscosidad no afecta el movimiento del fluido,
es decir, la fricción ocasionada por el paso del
líquido en las paredes de la tubería se considera
despreciable.
El flujo del líquido. A través delas tuberías es
estable y estacionario, es decir, no hay
turbulencias. Si colocamos una partícula dentro del
fluido, ésta debe seguir la misma trayectoria y
adquirir la misma velocidad de flujo.
El teorema de Bernoulli es también conocido como el
teorema de trabajo-energía en los fluidos. Bernoulli
considera que en una tubería que posee una elevación, la
presión es menor en la parte más alta y se resume como:
o
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La ecuación del teorema de Bernoulli nos puede ayudar a
determinar la presión o velocidad cuando existe una
diferencia de alturas por el conducto.
De la presión del fluido puedo decir que:
a. La fuerza 2 nos está diciendo que:
b. ¿Qué relación hay entre la fuerza 1 y la fuerza 2?
Una aplicación de Bernoulli. Teorema de Torricelli
1. Qué diferencia existe entre los cuerpos que flotan en un
líquido y aquellos que se hunden.
Ya puedes contestar cómo llega el agua al tanque de tu
casa. Pero ¿qué velocidad tiene cuando abrimos la llave del
agua? Para conocer esto, haremos uso del teorema de
Torricelli. Este físico italiano menciona que: “la velocidad
de salida de un líquido es mayor conforme aumenta la
profundidad a la que se encuentra el orificio de salida”. Es
decir
√
Esta fórmula es la misma que utilizamos para determinar la
velocidad de un cuerpo en caída libre.
De las tres opciones presentadas en la figura de arriba, cuál
consideras que describe correctamente el principio de
Torricelli. Justifica tu respuesta
_______________________________________________
_______________________________________________
_____________________________
APLICACIÓN II
E1: En cuanto a la presión hidrostática, de las siguientes
características son las que presentan las fuerzas que los
líquidos ejercen sobre los objetos sumergidos en ellos y
sobre las paredes de los recipientes:
I. La fuerza ejercida por el fluido aumenta con la
profundidad.
II. Las fuerzas en el interior de los líquidos se ejercen en
todas las direcciones.
III. Las fuerzas dependen de la cantidad de líquido que hay en
el recipiente.
IV.
La fuerza ejercida por el fluido disminuye con la
profundidad.
Es cierto para:
A. III Y IV
B. II Y III
C. I Y II
D. I Y IV
E2:De la imagen conteste las siguientes preguntas:
2. El principio de Arquímedes se enuncia así: “Un cuerpo
parcial o totalmente Sumergido en un líquido
experimenta un empuje vertical ascendente igual al
peso del líquido que desplaza” ¿En cuál de las
siguientes opciones se ha aplicado este principio?
A. El agua que se mueve o desplaza por una tubería.
B. El funcionamiento de un ascensor.
C. En la navegación, especialmente en los submarinos.
D. La circulación de aire que se establece alrededor del ala
de un avión.
3.
Calcule la densidad de un refresco de cola que se
encuentra en un envase que contiene un volumen de
255 ml y tiene una masa de 34 g.
4.
Encuentra la masa de ácido sulfúrico contenido en
una batería de automóvil cuyo valor de densidad es 1.2
g/cm3 y se encuentra contenido en un volumen de 450
cm3.
5.
Calcula el volumen de un ron añejo cuya densidad
es 0.87 g/cm3 y tiene una masa de 98 mg.
6.
Calcule el peso específico de un popote cuya masa
es de 0.5 g en un volumen de 10 ml.
7.
Calcule el peso específico de una tortilla de harina
que tiene una densidad de 0.50 g/cm3 y tiene una masa
de 5 g.
8. Calcula la presión hidrostática en el fondo de una
piscina de 5 m de profundidad, si la densidad del agua
es de 1000 kg/m3.
9.
Las personas que no saben nadar utilizan chalecos
salvavidas, el cual les permite flotar con seguridad, al
aplicar en este caso el enunciado de Arquímedes, la
función que cumple el chaleco salvavidas en las
personas es aumentar:
A.
B.
C.
D.
La densidad
El peso
El volumen
La masa
Responda los ejercicios 10 y 11 con base en el siguiente
enunciado:
La presión es la relación entre la fuerza ejercida y el área
sobre la cual se aplica dicha fuerza
En un líquido la presión P es proporcional a la
profundidad h (
). Si usted tiene dos cajas de
vidrio, la primera es un cubo perfecto con arista de lado
a y la otra tiene base cuadrada del mismo lado a que la
primera y de altura 2a, si las dos cajas se llenan
herméticamente y se sumergen hasta el fondo de una
piscina,
10. Si ambas cajas están hechas del mismo tipo de material,
al llevarlas a una profundidad a la cual se lleva al límite
la resistencia de este material, es más factible
A.
B.
C.
Que se rompa inicialmente la primera caja
Que se rompa primero la segunda caja
Que se rompa la primera o la segunda caja es
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cuestión del azar, es decir, resulta impredecible.
D.
Que se rompan simultáneamente las cajas.
11.
Podemos afirmar que
A.
La presión total sobre la primera caja es mayor que
la presión sobre la segunda caja, ya que si visión bien la
base se encuentra a la misma profundidad que la
segunda caja, su cara superior está más profunda.
B.
La presión total sobre la primera caja es menor que
la presión sobre la segunda caja, ya que la segunda caja
tiene más área.
C.
La presión total sobre la primera caja es igual que
la presión sobre la segunda caja ya que ambas cajas se
encuentran a la misma profundidad.
D.
La presión total sobre la primera caja es la mitad
que la presión sobre la segunda caja, por tener la mitad
de su altura.
12. Calcule la profundidad a la que se encuentra un
submarino en el mar cuando soporta una presión
hidrostática de 8x106 N/m2. La densidad del agua del
mar es de 1020 kg/m3.
13. ¿Qué fuerza se ejercerá sobre el émbolo mayor de
una prensa hidráulica cuya área es de 200 cm2, si la
fuerza aplicada es de 40 N en el émbolo menor cuya
área es de 30 cm2?
14. Determina el área del émbolo mayor de una prensa
hidráulica, si la fuerza aplicada sobre él es de 500 N y
en el émbolo menor se aplica una fuerza de 80 N,
cuando el área es de 0.5 m2.
15. Un cubo de hierro de 50 cm3 se sumerge a la mitad en
agua. Si el peso del cubo es de 300 N en el aire,
determina el peso aparente del cubo y el empuje
realizado por el líquido.
16. Determina el empuje que recibe un objeto que pesa 300
N y posee un volumen de 0.6 m3, cuando se sumerge
por completo en agua.
17. Investiga y escribe las aplicaciones de los teoremas
descritos en la sección anterior:
APLICACIÓN
DE
LOS TEOREMAS
Hemodinámica
Hidroneumático
Alas del avión
18. Determina el gasto y el flujo de 2 m3de agua que
circula por una tubería en 45 s.
19. En una tubería de 5 cm de diámetro circula agua a una
velocidad de 4 m/s. Si la tubería se estrecha a 3 cm de
diámetro, ¿cuál será la nueva velocidad del fluido?
20. Diseñe un mapa mental para la mecánica de fluidos .
CARGA ELECTRICA – CIRCUITOS ELECTRICOS
CONTEXTUALIZACIÓN III
Instrumentos electrónicos de hoy en día, tales como radios,
televisores, reproductores de CD y microcomputadoras,
dependen de dispositivos semiconductores que se encuentran
combinados en los chips de silicio de unos pocos milímetros
de ancho. En estos dispositivos, la corriente y el voltaje
varían en formas más complejas que las descritas por la ley
de Ohm. Como resultado, los dispositivos semiconductores
pueden cambiar de corriente de CA a CC y amplificar
tensiones.
ESTRUCTURACIÓN III
Diodo
El dispositivo semiconductor más simple es el diodo. Un
diodo consiste en una especie de sándwich de
semiconductores tipo p y semiconductores de tipo n. En lugar
de que dos piezas de silicio dopado estén por separado estas
se encuentran unidas, una sola muestra de silicio intrínseco
es tratado primero con un p-dopante, a continuación, con un
n-dopante. Los contactos metálicos están recubiertos en cada
región, de modo que los cables se pueden conectar, como se
muestra en la figura 1-a.
La frontera entre las regiones de tipo p y las regiones de tipo
n se llama la unión. El dispositivo resultante, por lo tanto, se
llama un diodo de unión pn.
Los electrones libres en el lado n de la unión se sienten
atraídos por los agujeros positivos sobre el lado p. Los
electrones se mueven fácilmente en el lado-p y se
recombinan con los agujeros. Los agujeros del lado p
similarmente se mueven en el lado n, donde se recombinan
con los electrones. Como resultado de este flujo, el lado n
tiene una carga neta positiva, y el lado p tiene una neta carga
negativa. Estas cargas producen fuerzas en la dirección
opuesta a la que dejan el movimiento del resto de portadores
de carga. La región alrededor de la unión se queda sin
agujeros ni electrones libres. Esta región, de agotamiento de
los portadores de carga, se llama la capa de agotamiento.
Debido a que no tiene los portadores de carga, es un mal
conductor de la electricidad. Por lo tanto, un diodo de unión
se compone de relativamente buenos conductores en los
extremos que rodean a un mal conductor.
Figura 1-b: Configuración diodo de polarización inversa.
Figura 1-a: Capa de agotamiento donde no hay
transportadores de carga en un diodo pn.
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Cuando un diodo está conectado en un circuito en la manera
que se muestra en la figura 1-b, tanto los electrones libres en
el semiconductor de tipo n y los agujeros en el
semiconductor de tipo p son atraídos hacia la batería. La
anchura de la capa de agotamiento se incrementa, y no se
encuentran portadores de carga. Casi nada de corriente pasa a
través del diodo: actúa como una resistencia muy grande,
casi como un aislante. Un diodo orientado de esta manera es
un diodo de polarización inversa.
de luz, o LEDs. Algunos LEDs están configurados para
emitir un haz estrecho de luz láser coherente,
monocromática. Tales láseres de diodo son fuentes de luz
potentes compactos. Se utilizan en los reproductores de CD,
láseres y escáneres de códigos de barras de supermercados.
Diodos pueden detectar la luz y emitirla. La luz que incide en
la unión de un diodo de unión pn de polarización inversa,
crea electrones y huecos, resultando una corriente que
depende de la intensidad de la luz.
Transistores
Un transistor es un dispositivo sencillo hecho de material
semiconductor dopado.
Figura 1-c: Configuración diodo polarizado.
Un transistor npn se compone de capas de semiconductor
tipo n a cada lado de una capa de semiconductor tipo p
delgada. La capa central se llama la base y a las regiones de
los lados se le llaman emisor y colector. Los símbolos
esquemáticos para la dos tipos de transistores se muestran en
la figura 3. La flecha en el emisor muestra la dirección de la
corriente convencional.
Si la batería está conectada en la dirección opuesta, como se
muestra en la Figura 1-c, los portadores de carga son
empujados hacia la unión. Si el voltaje de la batería es lo
suficientemente grande – 0.6 V para un diodo de silicio – los
electrones alcanzan el extremo p y llenan los agujeros. La
capa de agotamiento se elimina, y una corriente pasa a través
del diodo. La batería continúa suministrando electrones para
el extremo n. Se quitan electrones del extremo p, que es lo
mismo que un suministro de agujeros. Con nuevas subidas de
tensión de la batería, la corriente aumenta. Un diodo en este
tipo de circuito es un diodo polarizado o de polarización.
Figura 3: Comparación esquemática de cómo se
representa un transistor (a) pnp y uno (b) npn.
El funcionamiento de un transistor npn se ilustra en la figura 4.
Figura 2: Gráfica de corriente – voltaje para una unión
de un diodo de silicio.
El gráfico que se muestra en la figura 2 ilustra la corriente a
través de un diodo de silicio como una función de la tensión
a través de ella. Si el voltaje aplicado es negativo, la
polarización inversa del diodo actúa como una resistencia de
muy alto valor y sólo una pequeña corriente pasa (alrededor
de 10-11 A para un diodo de silicio). Si el voltaje es positivo,
el diodo está polarizado y actúa como una resistencia de bajo
valor, pero sin embargo no obedece a la ley de Ohm. Un uso
importante de un diodo es para convertir el voltaje de CA en
voltaje de CC con una sola polaridad. Cuando se usa un
diodo en un circuito, se le llama un rectificador.
Diodo emisor de luz (LED)
Diodos hechos de combinaciones de galio y aluminio con el
arsénico y el fósforo emite luz cuando está polarizado.
Cuando los electrones alcanzan los agujeros en la unión, se
recombinan y liberan el exceso de energía en las longitudes
de onda de la luz. Estos diodos son llamados diodos emisores
Figura 4: Un circuito usando un transistor npn
demuestra como el voltaje puede ser amplificado.
Las dos uniones pn en el transistor pueden ser pensadas
como inicialmente la formación de dos diodos back-to-back.
La batería de la derecha, VC, mantiene el colector más
positivo que el emisor. El diodo base-colector está polarizado
inversamente, con una amplia capa de agotamiento, por lo
que no hay corriente desde el colector a la base. Cuando se
conecta la batería de la izquierda, VB, la base es más positiva
que el emisor. Eso hace que el diodo base-emisor esté
polarizado, lo que permite que haya una corriente IB desde la
base al emisor.
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La región base, muy delgada, es parte de ambos diodos en el
transistor. Las cargas inyectadas por la corriente IB reducen
la polarización inversa del diodo base-colector, permitiendo
que la carga fluya desde el colector al emisor. Un pequeño
cambio en IB produce un gran cambio en la corriente IC.
La corriente de colector provoca una caída de voltaje a través
de la resistencia RC. Pequeños cambios en el voltaje, VB,
aplicado a la base producen grandes cambios en el colector y
por lo tanto en la caída de voltaje a través de RC. Como
resultado, el transistor amplifica pequeños cambios de voltaje
en cambios muchos más grandes. Si en el lugar de la capa
central está una región de tipo n, entonces el dispositivo es
llamado un transistor PNP. Un transistor PNP funciona de la
misma manera, excepto que las potencialidades de ambas
baterías están invertidas.
R1: Rojo Violeta Amarillo Dorado
R2: Verde Azul Rojo Dorado
R3: Marrón Negro Rojo Plateado
R1 = __________
R2 = __________
R3 =__________
3. Redibuje el circuito mostrado usando los diagramas
de circuito estándar con sus símbolos únicamente
con conexiones en ángulos rectos.
Ganancia de corriente: La ganancia de corriente del circuito
base para el circuito colector es un indicador útil de la
actuación de un transistor. Aunque la corriente base es
bastante pequeña, es dependiente del voltaje base-emisor que
es el control de la corriente del colector. Por ejemplo, si VB
en la figura 4 se elimina, la corriente de colector se reducirá a
cero. Si VB se incrementa, la corriente actual, IB, aumenta. La
corriente de colector, IC, también aumentará, pero muchas
veces más (tal vez 100 veces más o menos). La ganancia de
corriente desde la base hasta el colector oscila entre 50 a 300
para los transistores de propósito general.
IV.
APLICACIÓN
Entregable 3: Ejercicios
1. Complete el siguiente mapa conceptual usando los
siguientes términos: transistor, diodo de silicio, emite
luz, conduce en ambos sentidos.
4. Para los diagramas de bandas de energía que se
muestran, ¿cuál representa un material con una
elevada resistencia?
A.
B.
C.
D. No se puede determinar
5. Que enunciado acerca de los diodos es falso: Los
diodos pueden _____________________________
2. Determine el valor en ohmios y la tolerancia de un
resistor:
A.
B.
C.
D.
Amplificar el voltaje
Detectar luz
Emitir luz
Rectificar corriente alterna (AC)
6. Un diodo es:
A.Un dispositivo usado para amplificar o conmutar la
electricidad.
B. Una clase especial de componente que emite luz
cuando pasa corriente a través de el.
C. Un componente que almacena relativamente alta
cantidad de energía eléctrica.
D. Un dispositivo que permite el paso de corriente en
una sola dirección.
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7. La base, emisor y colector, son los terminales
propios de un
A.
B.
C.
D.
de corriente continua en corriente continua en
distancias de 200m a 1Km, según sea el tipo de
instrumento transmisor).
resistor
diodo
transistor
potenciómetro
8. Complete con el término adecuado la siguiente
afirmación:
Un _________________ cumple funciones
amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.
A.
B.
C.
D.
de
A. Faltan elementos para ello.
B. El diodo no tiene objeto.
C. Son dos tipos diferentes.
D. Exactamente.
resistor
diodo
transistor
potenciómetro
9.
A.
B.
C.
D.
Los dispositivos que permiten acumular energía son:
las resistencias
los condensadores
los transistores
los semiconductores
10. Los materiales semiconductores más utilizados en
electrónica son:
A. el potasio y el tantalio.
B. el cesio y el argón.
C. el germanio y el silicio.
D. el arsénico y el galio.
11. El transistor está formado por
A. tres capas NPN o PNP
B. electrones
C. huecos
D. cristales
12. El dibujo nos muestra dos transistores
acoplamiento directo ¿cuál es PNP? (1 punto).
A.
B.
C.
D.
14. De la figura que se muestra a continuación se puede
establecer que:
E. La lámpara 1 (L1) está encendida.
F. La lámpara 2 (L2) está encendida.
G. Ambas lámparas están encendidas.
H. Ninguna lámpara está encendida.
15. Realizar los ejercicios que se encuentran en el
material del bibliobanco de física que se indicarán en
la respectiva clase.
16. Realizar los respectivos montajes experimentales que
se indicarán en clase.
en
transistor 1
transistor 2
ambos
ninguno
13. El dibujo de la figura A representa un transmisor
conectado a una batería. ¿El circuito B es
equivalente?
PREGUNTAS GENERALES:
1. ¿Qué
son
materiales
conductores,
semiconductores y aislantes? Explique cada uno
de estos.
2. ¿Para qué sirve un diodo?
3. ¿Qué es un transistor y cuáles son sus principales
aplicaciones?
4. ¿Cómo se usan los colores para determinar el
valor de ohmios que posee una resistencia?
Ayuda: (los transmisores captan la variable de proceso
a través del elemento primario y la transmiten a
distancia en forma de señal electrónica de 4 a 20 mA
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