Clase 1: Presentación, termodinámica.

1. Presentación – Clase 1
Principio Cero. Temperatura. Dilatación térmica.
Manuel Carlevaro
Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional Buenos Aires
Física II
Curso Z-2152 (2011)
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AT
Derecho de autor 2008 – 2011 Manuel Carlevaro
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2. Presentación
Motivación para cursar Física II:
Contenidos
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3. Presentación
Motivación para cursar Física II:
Contenidos
Forma / Metodología
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4. Presentación
Motivación para cursar Física II:
Contenidos
Forma / Metodología
¡Está en el plan de estudios!
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5. Presentación
Información sobre el curso:
Sitio web: http://carlevaro.com.ar/fisica2/
Calendario de Google: incluido en el sitio web / suscripción
Sitio web oficial UTN - FRBA
Aulas virtuales: http://www.campusvirtual.frba.utn.edu.ar/homogeneo/
(Asignatura: Física)
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6. Presentación
Programa
1 Calor 7 Campo magnético
2 Principios de la 8 Fuentes de campo magnético
Termodinámica 9 Inducción magnética
3 Carga y campo eléctrico 10 Corriente alterna
4 Potencial eléctrico 11 Ecuaciones de Maxwell y
5 Capacidad eléctrica y ondas electromagnéticas
dieléctricos 12 Óptica Física: Interferencia
6 Corriente eléctrica y circuitos 13 Óptica Física: Difracción
de corriente continua
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7. Presentación
Programa
1 Calor 7 Campo magnético
2 Principios de la 8 Fuentes de campo magnético
Termodinámica 9 Inducción magnética
3 Carga y campo eléctrico 10 Corriente alterna
4 Potencial eléctrico 11 Ecuaciones de Maxwell y
5 Capacidad eléctrica y ondas electromagnéticas
dieléctricos 12 Óptica Física: Interferencia
6 Corriente eléctrica y circuitos 13 Óptica Física: Difracción
de corriente continua
Primer parcial Segundo parcial
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8. Presentación
Parciales:
2 Parciales / 2 Recuperatorios por parcial
Parcial 1: semana siguiente a la Clase 12.
Parcial 2: semana siguiente a la Clase 20.
Primer recuperatorio (parciales 1 y 2): una semana luego de la muestra de
correcciones.
Segundo recuperatorio (parciales 1 y 2): fechas a confirmar.
2 horas / 5 problemas
Calificación de problemas: B (B−), R (R−), M.
Aprobación: 3 B o 2 B y 2 R.
Condición de Alumno Regular
1 Aprobar ambos parciales/recuperatorios
2 Aprobar los TPs (fechas a confirmar)
3 Asistencia
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9. Presentación
Bibliografía:
F. W. Sears, M. W. Zemansky, H. D. Young, R. A. Freedman
Física Universitaria con Física Moderna, vol. 1 y 2.
Pearson Educación, undécima edición. México, 2005.
P. A. Tipler, G. Mosca
Física para la ciencia y la tecnología, vol. 1 y 2.
Reverté, 5ta Edición. España, 2005.
F. W. Sears y M. W. Zemansky
Física General.
Aguilar S. A. de Ediciones, Madrid, 1975.
Resnick y D. Halliday
Física, partes 1 y 2.
Companía Editorial Continental S. A. , Mexico, 1986.
Guías de problemas:
Guía de Problemas - 2003 - BF1CP10
Guía de Problemas de Calor y Termodinámica, Corriente Alterna, Óptica
Ondulatoria - 2006 - BF1CP11
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10. Sugerencias
Tomar notas a mano: es un compromiso activo, ayuda a la transferencia de
información de la memoria de corto plazo a la de largo plazo.
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11. Sugerencias
Tomar notas a mano: es un compromiso activo, ayuda a la transferencia de
información de la memoria de corto plazo a la de largo plazo.
Resolver problemas: a) estudiar el libro, b) trabajar el problema sin mirar
“ayudas”, c) comparar el enfoque (no solo la respuesta) con el libro. Lo
importante es el método, no el resultado final.
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12. Sugerencias
Tomar notas a mano: es un compromiso activo, ayuda a la transferencia de
información de la memoria de corto plazo a la de largo plazo.
Resolver problemas: a) estudiar el libro, b) trabajar el problema sin mirar
“ayudas”, c) comparar el enfoque (no solo la respuesta) con el libro. Lo
importante es el método, no el resultado final.
Trabajar en grupo: Resolver problemas, discutir planteos, comparar resultados.
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13. Sistemas termodinámicos
Medio ambiente
Sistema
Cantidad de materia o región del
espacio elegida para estudio:
Cerrado: No hay intercambio
de masa con el medio
Sistema ambiente.
Aislado: No hay intercambio
de energía con el medio
ambiente.
Abierto: Hay intercambio de
masa/energía con el medio
ambiente.
Límite del sistema
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14. Sistemas termodinámicos
Enfoque macroscópico Enfoque microscópico
Termodinámica Mecánica Estadística
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15. Propiedades termodinámicas
Propiedad de un sistema es alguna característica
que permite describir el comportamiento del
mismo. Tiene un único valor cuando el sistema
está en un estado particular, y no depende de los
estados previos por los que pasó el sistema.
Ejemplos:
Presión (p) Coeficiente de
Temperatura (T ) expansión térmica
Volumen (V ) Resistividad
eléctrica
masa (m)
Velocidad
Viscosidad
Altura
Conductividad
térmica etc.
Módulo de
elasticidad
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16. Propiedades termodinámicas
Propiedades
Intensivas: Independientes de la tamaño del
sistema (T , p, ρ)
Extensivas: Dependen de la masa o tamaño
del sistema (m, V )
Específicas: Propiedades extensivas por
unidad de masa (v = V /m)
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17. Temperatura y equilibrio térmico
Hierro Hierro
150°C 90°C
Cobre Cobre Flujo de calor desde
20°C 90°C el cuerpo más
caliente al más frío.
La transferencia se
detiene cuando
alcanzan la misma
temperatura.
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18. Temperatura y equilibrio térmico
Hierro Hierro
150°C 90°C
Cobre Cobre Flujo de calor desde
20°C 90°C el cuerpo más
caliente al más frío.
La transferencia se
detiene cuando
alcanzan la misma
temperatura.
Equilibrio térmico
Dos sistemas están en equilibrio térmico si y solo si tienen la misma temperatura.
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19. Principio Cero de la Termodinámica
Aislante
Sistema Sistema
A B
Sistema
C Conductor
TA = TC y TB = TC
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20. Principio Cero de la Termodinámica
Aislante Conductor
Sistema Sistema Sistema Sistema
A B A B
Sistema Sistema
C Conductor C Aislante
TA = TC y TB = TC
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21. Principio Cero de la Termodinámica
Aislante Conductor
Sistema Sistema Sistema Sistema
A B A B
Sistema Sistema
C Conductor C Aislante
TA = TC y TB = TC TA = TB
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22. Principio Cero de la Termodinámica
Aislante Conductor
Sistema Sistema Sistema Sistema
A B A B
Sistema Sistema
C Conductor C Aislante
TA = TC y TB = TC TA = TB
Principio Cero de la Termodinámica
Si A y B están, separadamente, en equilibrio térmico con un tercer cuerpo C,
entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.
C puede funcionar como termómetro.
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23. Propiedades termométricas
Pared delgada
de vidrio
Manómetro
Botella de
Tubo capilar
gas a volumen
constante
Líquido (Hg)
Resistencia eléctrica (R)
Presión del gas (p)
Altura de Hg (L)
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24. Termómetros
Medida de la temperatura:
T (X) = aX, X: propiedad termométrica
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25. Termómetros
Medida de la temperatura:
T (X) = aX, X: propiedad termométrica
T (X1 ) X1
=
T (X2 ) X2
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26. Termómetros
Medida de la temperatura:
T (X) = aX, X: propiedad termométrica
T (X1 ) X1
=
T (X2 ) X2
Punto fijo patrón → Punto triple del agua: 273,16 K
T (X) X
=
T (Xtr ) Xtr
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27. Termómetros
Medida de la temperatura:
T (X) = aX, X: propiedad termométrica
T (X1 ) X1
=
T (X2 ) X2
Punto fijo patrón → Punto triple del agua: 273,16 K
T (X) X
=
T (Xtr ) Xtr
Para todos los termómetros: T (Xtr ) = 276,16 K
X
T (X) = 273,16K
Xtr
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28. Termómetros
Ejemplo: Cierto termómetro de resistor de platino tiene una resistencia R de 90,35 W
cuando el bulbo se coloca en una celda de punto triple de agua. ¿Cuál será la
temperatura que indicará el termómetro si el bulbo se coloca en un medio ambiente tal
que su resistencia eléctrica es de 96,28 W?
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29. Termómetros
Ejemplo: Cierto termómetro de resistor de platino tiene una resistencia R de 90,35 W
cuando el bulbo se coloca en una celda de punto triple de agua. ¿Cuál será la
temperatura que indicará el termómetro si el bulbo se coloca en un medio ambiente tal
que su resistencia eléctrica es de 96,28 W?
X
T (X) = 273,16K
Xtr
96,28
= 273,16K
90,35
= 291,1K
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30. Termómetro de gas a volumen constante
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31. Termómetro de gas a volumen constante
P
T (P ) = 273,16K
Ptr
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32. Termómetro de gas a volumen constante
R. Resnick, D. Halliday y K. Krane. Física Vol. 1. Compañia Editorial Continental,
México (2001).
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33. Termómetro de gas a volumen constante
Escala de temperaturas
del gas ideal:
P
T (P ) = 273,16K l´
ım
Ptr →0 Ptr
R. Resnick, D. Halliday y K. Krane. Física Vol. 1. Compañia Editorial Continental,
México (2001).
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34. Escalas de temperatura
°C K °F R
Punto
0,01 273,16 32,02 491,69 triple del
agua
Cero
‒273,15 0 ‒459,67 0
absoluto
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35. Escalas de temperatura
°C K °F R Kelvin Celsius
K = C + 273,15
Punto C = K − 273,15
0,01 273,16 32,02 491,69 triple del
agua Celsius Farenheit
5
C = (F − 32)
9
9
F = C + 32
5
Rankine Farenheit
Cero
‒273,15 0 ‒459,67 0
absoluto R = F + 459,67
F = R − 459,67
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36. Dilatación térmica
Amplitud de vibración ≈ 10−9 cm
Frecuencia de vibración ≈ 1013 Hz
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37. Dilatación térmica
Dilatación lineal:
∆L = α L0 ∆T
Ejemplo: video.
Amplitud de vibración ≈ 10−9 cm
Frecuencia de vibración ≈ 1013 Hz
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38. Dilatación térmica
Dilatación lineal:
∆L = α L0 ∆T
Ejemplo: video.
Dilatación superficial:
∆S = 2 α S0 ∆T
Amplitud de vibración ≈ 10−9 cm
Frecuencia de vibración ≈ 1013 Hz
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39. Dilatación térmica
Dilatación lineal:
∆L = α L0 ∆T
Ejemplo: video.
Dilatación superficial:
∆S = 2 α S0 ∆T
Dilatación volumétrica:
∆V = 3 α V0 ∆T
= β V0 ∆T
Amplitud de vibración ≈ 10−9 cm
Frecuencia de vibración ≈ 1013 Hz
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40. Dilatación térmica
Dilatación lineal:
∆L = α L0 ∆T
Ejemplo: video.
Dilatación superficial:
∆S = 2 α S0 ∆T
Dilatación volumétrica:
∆V = 3 α V0 ∆T
= β V0 ∆T
Esfuerzo de
tensión/compresión:
F
= Y α ∆T
−9
Amplitud de vibración ≈ 10 cm A
Frecuencia de vibración ≈ 1013 Hz Y : módulo de Young.
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41. Dilatación térmica
Ejemplo: Los remaches de aluminio que se utilizan en la construcción de aviones se
fabrican ligeramente más grandes que los orificios en los que se colocan, y se enfrían
con “hielo seco” (CO2 sólido) antes de colocarlos. Si el diámetro del orificio es 4,50
mm, ¿cuál debería ser el diámetro del remache a 23,0 °C, si su diámetro es igual al del
orificio cuando el remache se enfría a −78,9 °C, la temperatura del hielo seco?
α = 2,4 × 10−5 °C−1 .
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42. Dilatación térmica
Ejemplo: Los remaches de aluminio que se utilizan en la construcción de aviones se
fabrican ligeramente más grandes que los orificios en los que se colocan, y se enfrían
con “hielo seco” (CO2 sólido) antes de colocarlos. Si el diámetro del orificio es 4,50
mm, ¿cuál debería ser el diámetro del remache a 23,0 °C, si su diámetro es igual al del
orificio cuando el remache se enfría a −78,9 °C, la temperatura del hielo seco?
α = 2,4 × 10−5 °C−1 .
Sea d0 el diámetro a −78,9 °C y d el diámetro a 23,0 °C.
d = d0 + ∆d
= d0 (1 + α ∆T )
= (0,45cm)(1 + 2,4 × 10−5 °C−1 [23,0°C − (−78,9°C)])
= 0,4511cm = 4,511mm
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43. Problemas y lecturas sugeridas
Problemas:
BF1CP11: Problemas 1 – 5 y 7
Lecturas sugeridas:
R. Resnick y D. Halliday
Física, parte 1
Companía Editorial Continental S. A. , Mexico, 1986.
Capítulo 21
F. W. Sears y M. W. Zemansky
Física General
Aguilar S. A. de Ediciones, Madrid, 1975.
Capítulo 15
M. Zemansky y R. Dittman
Calor y Termodinámica
McGraw-Hill, Mexico, 1985.
Capítulo 1
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