segundo parcial fisica 2

Cantidad de calor

Calor es una forma de energía almacenada en los cuerpos que depende del estado de vibración de sus moléculas y el tipo de estructura que lo forma. Entre mayor es la vibración de las moléculas tiene mayor calor.

   La cantidad de calor (Q) se define como la energía térmica necesaria para elevar una temperatura de masa dada. 

Unidades de calor

   Caloría (cal). Cantidad de calor necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua.

                                                                   1 cal = 4.186 j

•       Kilocaloría (kcal) Cantidad de calor necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un kilogramo de agua.

•        La cantidad de energía térmica que se necesaria para elevar la temperatura de una sustancia 

Calculo de la cantidad de calor

La cantidad de calor se calcula mediante la siguiente fórmula: Q=mCe (Tf -To) en la cual "m" es la masa, Ce es el calor específico, To es la temperatura inicial y Tf la temperatura final. Por lo tanto Tf – Ti = ΔT (variación de temperatura). Siendo Ce. el calor especifico, "m" la masa y T, T0 las temperaturas inicial y final.

Calor latente

    Se define como la cantidad de calor que necesita una sustancia para pasar de estado sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gas (calor de vaporización) sin cambio de temperatura. Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura.

•       Por ejemplo el hielo:

Cuando se aplica calor a un trozo de hielo, va subiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de estado); a partir de ese momento, aunque se le siga aplicando calor, la temperatura no cambiará hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento, la temperatura se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.

    En la imagen se observa que:

-En el tramo AB observamos que hay un cambio de temperatura por lo tanto es calor especifico

-En el tramo BC  observamos que no hay cambio de temperatura por lo tanto es calor latente

-En el tramo CD observamos que hay variación de temperatura por lo tanto es calor especifico

-En el tramo DE  observamos que no hay variación de temperatura por lo tanto es calor latente 

Tipos de calor latente

 Calor de evaporización: Es la energía necesaria para cambiar 1 gramo de sustancia en estado líquida, al estado gaseoso en el punto de ebullición. Esta energía rompe las fuerzas atractivas intermoleculares y también debe proveer la energía necesaria para expandir el gas. Siendo la cantidad de energía absorbida durante el proceso de evaporación de un líquido en ebullición

  

Calor de fusión: Se llama "calor de fusión", la energía necesaria para cambiar 1 gramo de sustancia en estado sólido, a estado líquido, sin cambiar su temperatura. Esta energía rompe los enlaces de sólidos, y queda una significativa cantidad, asociada con las fuerzas intermoleculares del estado líquido.

  Calor de sublimación: Es la energía necesaria para producir el cambio de estado de sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina deposición o sublimación regresiva; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido.

  Calor de condensación: Calor que es liberado por la masa de un gas que se encuentra en su punto de ebullición al condensarse en un fluido.

Calor de solidificación: Cantidad de calor que desprende la masa de un líquido al solidificarse a su temperatura de congelación.

EJEMPLO PARA DETERMINAR CANTIDAD DE CALOR CON AYUDA DEL CALOR LATENTE Y CALOR ESPECÍFICO.

 Un cubo de hielo de 20 gr a 0 ºC se calienta hasta que 15 gr se han convertido en agua a 100 ºC y 5gr se han convertido en vapor. ¿Cuánto calor se necesitó para lograr esto?

  El calor necesario para derretir el hielo, llamémoslo Q1, se calcula de la siguiente manera:

       Q 1 = m . LF

 Donde LF es el calor de fusión del agua, que vale 80 cal/gr, y es el calor        necesario para derretir hielo a 0 ºC, por gramo de hielo. Entonces:

   

                  Q1 = 20 gr . 80 cal/gr = 1.600 cal

Con esa cantidad de calor tendremos 20 gr de hielo a 0 ºC. Toda la masa de agua debe alcanzar la temperatura de 100 ºC. entonces calculemos el calor necesario para hacer eso solo.

 Llamémoslo Q2.

Q2 = m .c . ΔT

Donde m es la masa de agua, c es su calor específico que vale 1 cal/gr°C, y ΔT es el aumento de temperatura, o sea, 100 ºC. Entonces:

 Q2 = 20 gr . 1 cal/gr°C . 100 °C = 2.000 cal

  El calor necesario para evaporar 5 gr de agua a 100 °C, llamémoslo Q3.

  se calcula de la siguiente manera:

          Q 3 = m . LV

Donde LV es el calor de vaporización del agua, que vale 540 cal/gr, y es el calor necesario para evaporar agua a 100 ºC, por gramo de agua. Entonces:

        

          Q3 = 5 gr . 540 cal/gr = 2.700 cal 

   Finalmente, el calor necesario para desarrollar todo el proceso descripto en el enunciado no es otro que la suma de los procesos intermedios:

  Q = Q1 + Q2 + Q3

  Q= 1600 cal + 2000 cal + 2700 cal

  Q = 6300 cal.

Cambio de fase

  

 Es la transformación física que experimenta una sustancia saturada pura al recibir o entrega

cierta cantidad de calor. Durante el cambio de fase la sustancia experimenta un reordenamiento

molecular, adoptando nuevas propiedades físicas y perdiendo otras. En general la sustancia puede

encontrarse en tres fases, Sólido, líquido y gaseoso.

Punto triple

   Se denomina así, al valor que adoptan la temperatura y presión de saturación, en la que la sustancia se halla en las tres fases (Sólido, líquido y gas), esto es en que las tres fases coexisten simultáneamente.

 Por ejemplo para el agua, los valores de la temperatura y presion, en el puntor triple se da cuando, la temperatura T =0.01ºC y P=611.3 Pa.

       La línea verde marca el Punto de congelación, la azul, el punto de ebullición y la roja el punto de sublimación. Se muestra como estos varían con la presión. El punto de unión entre las líneas verde, azul y roja es el punto triple. La línea con puntos muestra el comportamiento anormal del agua.

Equivalente mecánico de calor

Es el factor de conversión que permite transformar la energía térmica (caloría) en energía mecánica (Joule) así, tenemos que:

1 cal = 4.186 Jouls (1cal= 4.186J ) ó 1 J = 0.239 cal

Ciclo del agua

El ciclo del agua

En la atmósfera, con la ayuda del aire y del Sol, el vapor de agua se convierte en humedad, niebla, neblina, rocío, escarcha y nubes. Y como nieve sobre las montañas, o como lluvia o granizo en los valles, se escurre, desliza o se filtra en la tierra, donde la recogen los ríos, y de los ríos va al mar. El mar retiene la sal del agua que recogió del suelo, la tierra y las rocas que se encontraban en los lugares por donde pasa el río, la envía a la atmósfera, pura y evaporada.

De la atmósfera, el agua cae como lluvia baja sobre los prados, los campos, nutre las cosechas y la fruta, y corre por los troncos, ramas de las plantas y árboles, llenándolos de flores. Al encontrar grietas en las rocas y en el suelo, el agua penetra hacia adentro de la tierra, formando los ríos subterráneos que llenan los pozos, a veces sale en pequeñas cascadas o manantiales. A todo este proceso se le llama el Ciclo del agua, o ciclo Hidrológico, gracias a él, probablemente tú volverás a beber esta misma agua cien veces durante toda tu vida.

primer parcial fisica 2

Elasticidad, Ley de Hooke, estados de agregación, deformación y esfuerzo.

Elasticidad 

En física el término elasticidad designa la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.

Un caso particular del sólido elástico, a además de ser el más común se presenta cuando las tensiones y las deformaciones están relacionadas lineal mente, cuando eso sucede se dice que el sólido es elástico lineal.

Aquí se puede observar que al aplicar dos fuerzas en direcciones opuestas la liga sufre una pequeña deformación pero al dejar de forzarla regresa a su estado natural, a esto se le denomina ELASTICIDAD.

  

LEY DE HOOKE

Es cuando una fuerza externa actúa sobre un material y causa un esfuerzo o tensión en el interior del material que provoca la deformación del mismo. En muchos materiales, entre ellos los metales y los minerales, la deformación es directamente proporcional al esfuerzo. Esta relación se conoce como ley de Hooke, así llamada en honor del físico británico Robert Hooke, que fue el primero en expresarla. No obstante, si la fuerza externa supera un determinado valor, el material puede quedar deformado permanentemente, y la ley de Hooke ya no es válida. El máximo esfuerzo que un material puede soportar antes de quedar permanentemente deformado se denomina límite de elasticidad.

Esta  gráfica muestra el aumento de longitud (alargamiento) de un alambre elástico a medida que aumenta la fuerza ejercida sobre el mismo. En la parte lineal de la gráfica, la longitud aumenta 10 mm por cada newton (N).El cambio de alargamiento es proporcional a la fuerza (tensión) esto es una relación conocida como ley de Hooke. El alambre empieza a estirarse desproporcionadamente por una fuerza aplicada superior a 8 N, que es el límite de elasticidad del alambre. Cuando se supera este límite, el alambre reduce su longitud (alargamiento) al dejar de aplicar la fuerza, pero ya no recupera su  forma original y  queda deformado permanentemente.

Estado de agregación de la materia

En física y química se observa que, para cualquier sustancia o mezcla, modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.

Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes; los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, llamados fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática. 

Estado solido

Los objetos en estado sólido se presentan como cuerpos de forma definida; sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras estrechas definidas, lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son calificados generalmente como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión.

Presentan algunas de las siguientes características:

Cohesión elevada, tienen una forma definida y memoria de forma, presentando fuerzas elásticas restitutivas si se deforman fuera de su configuración original, a efectos prácticos son incompresibles, resistencia a la fragmentación, fluidez muy baja o nula.

Estado liquido

Si se incrementa la temperatura de un sólido, este va perdiendo forma hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene.

El estado líquido presenta las siguientes características:

Cohesión menor.

Movimiento energía cinética.

Son fluidos, no poseen forma definida, ni memoria de forma por lo que toman la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.

En el frío se contrae (exceptuando el agua).

Posee fluidez a través de pequeños orificios.

Puede presentar difusión.

Son poco compresibles

Estado gaseoso

Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen definido. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene.

El estado gaseoso presenta las siguientes características:

Cohesión casi nula.

No tienen forma definida.

Su volumen es variable.

Estado plasmático

Es el cuarto estado de agregación de la materia, un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente y no poseen equilibrio electromagnético, por eso son buenos conductores eléctricos y sus partículas responden fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance. La mayor parte de la materia en el Universo visible se encuentra en estado de plasma, la mayoría del cual es el enrarecido plasma intergaláctico (particularmente el centro de intracúmulos) y en las estrellas.

Los rayos y los relámpagos son un plasma que alcanza los 27 000 grados centígrados.

Las lámparas fluorescentes son un ejemplo de la aplicación del plasma. Cuando los filamentos de una LF se calientan por el paso de la corriente, el aumento de la temperatura ioniza el gas inerte habitualmente argón o neón, que contiene el tubo en su interior, creándose un puente de plasma entre los dos filamentos.

El sol es el ejemplo más identificable del plasma.

Condensado de Bose-Einstein.

El condensado de Bose- Einstein o (cubo de hielo cuántico) como se le dice de cariño.  Se originó a partir de una nube de átomos de rubidio, esta nube se enfrió a una temperatura cercana al cero absoluto. Los átomos de dicho gas perdieron energía, frenándose y uniéndose entre sí, para dar origen a una especie de “superátomo”, mucho más denso que el estado sólido.

Condensado fermionico

El condensado fermiónico es una nueva forma de materia creada en laboratorio. Es una nube de átomos de potasio congelados. Para crearlo, los científicos enfriaron gas de potasio hasta una millonésima de grado por encima del cero absoluto, que es la temperatura en la que la materia para de moverse. La diferencia de esta nueva clase de materia con los condensados Bosse Einstein radica en que la primera está formada por fermiones y la segunda, por bosones. Los bosones son átomos cuyos electrones, protones y neutrones se encuentran en pares mientras que los fermiones los poseen en número impar.

Supersolido

Este material es un sólido en el sentido de que la totalidad de los átomos del helio que lo componen están congelados en una película cristalina rígida, de forma similar a como lo están los átomos y las moléculas en un sólido normal como el hielo. La diferencia es que, en este caso, “congelado” no significa “estacionario”. Los átomos de helio comienzan a comportarse como si fueran sólidos y fluidos a la vez. De hecho, en las circunstancias adecuadas, una fracción de los átomos de helio comienza a moverse a través de la película como una sustancia conocida como “súper-fluido”, un líquido que se mueve sin ninguna fricción. De ahí su nombre de “súper-sólido”.

Otros posibles estados de la materia son:

Superfluido
Materia degenerada
Materia fuertemente simétrica
Materia débilmente simétrica
Materia extraña o materia de quarks
Superfluido polaritón
Materia fotónica

Deformación

Es la alteración de un cuerpo, cambiando su forma o tamaño al momento de aplicar una o más fuerzas sobre éste. Existen principalmente dos tipos de deformaciones:

 Deformación elástica: Es cuando el cuerpo puede regresar a su forma original después de retirar la fuerza para estirarlo.

 Deformación plástica: Es cuando el cuerpo que sufrió la deformación no regresa a su estado original después de ya no aplicar la fuerza. Esto sucede porque, en la deformación plástica, el material experimenta cambios termodinámicos irreversibles.

Esfuerzo

El esfuerzo se define como el efecto de la acción de fuerza aplicada, el cual depende directamente sobre el área en la que se está aplicando. Se define como “fuerza por unidad de área” y  se representa con  σ.