Fluidos y calor

Unidad I 1.1 Hidrostática 1.1.1Características de los líquidos - Viscosidad -Tensión superficial - Cohesión - Adherencia - Capilaridad - Densidad - Presión Principio de Pascal. Principio de Arquímedes 1.2Hidrodinámica 1.2.1 Tipos de flujo 1.2.2 Ecuación de continuidad Principio de Bernoulli

Competencias Genéricas Piensa critica y reflexivamente Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. Competencias Disciplinares Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

Trabajar en dúos Trabajar en equipo Trabajo en la libreta Entregar en hojas sueltas Trabajo con un video

Bibliografía FIS1 Tippens, Paul E. (2007). Física. Conceptos y aplicaciones . (7ma. Edición). México: McGraw-Hill. FIS2 Hewitt,Paul G. (2004). Física Conceptual. (9na. Edición). México: Addison Wesley Longman. FIS4 Gutiérrez Aranzeta, Carlos. (2007). Física I I . (2da Edición). México: McGraw-Hill. Calificación Participación 20% Tareas y trabajos 20% Proyecto 20% Examen 40% Materiales: Libreta Calculadora Regla Block Rubricas: Tareas Participación

Hidrostática Estática de los fluidos. Desde el punto de vista macroscópico, se acostumbra clasificar a la materia, en sólidos y fluidos. Los gases y los líquidos tiene una propiedad en común, sus partículas pueden moverse unas respecto a las otras, es decir tienen capacidad de fluir, de ahí el nombre de fluidos .

Sin embargo, aunque los gases y líquidos son fluidos tiene propiedades diferentes. Gases: adoptan el volumen y la forma del recipiente que los contiene, son compresibles bajo la acción de la fuerzas perpendiculares. Líquidos: adoptan la forma del recipiente que los contiene, volumen fijo, superficie libre, incomprensibles bajo la acción de fuerzas perpendiculares. Nota: algunos líquidos como el vidrio fluyen tan lentamente que dan la apariencia de sólidos, al menos durante el tiempo que por lo general los empleamos.

¿Es posible inflar un globo sin tocarlo? ¿Cómo lo harías? Diseña un experimento para lograrlo utiliza lo comentado en clase . Entregar reporte

De acuerdo con tu experiencia: ¿Qué crees que es la viscosidad? ¿Podrías definirla en termino del movimiento? ¿Qué es la Adherencia? La viscosidad de un fluido puede interpretarse como la resistencia que presenta éste a fluir, la velocidad con la que un fluido fluye es una medida de la viscosidad, a mayor viscosidad menor movimiento. Cuando un líquido está en contacto con un sólido, a la mutua fuerza de atracción entre las moléculas de uno y otro, se llama adherencia.

¿Qué es la cohesión? ¿Capilaridad? es la fuerza que mantienen unidas las moléculas de una misma sustancia. Cualidad que posee una sustancia de absorber a otra. Sucede cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el líquido y el sólido son mayores que las fuerzas intermoleculares cohesivas del líquido. Esto causa que el menisco tenga una forma cóncava cuando el líquido está en contacto con una superficie vertical. En el caso del tubo delgado, éste succiona un líquido incluso en contra de la fuerza de gravedad. Este es el mismo efecto que causa que materiales porosos absorban líquidos.

Tensión superficial Se define cuantitativamente la tensión superficial como el trabajo que debe realizarse para llevar moléculas en número suficiente desde el interior del líquido hasta la superficie para crear una nueva unidad de superficie. Debido a estas fuerzas , la superficie tiende a contraerse y ocupar el área más pequeña posible. Si se trata de una gota libre, tiende a tomar la forma esférica.

Densidad La densidad o masa especifica ρ de un cuerpo se define como la relación de su masa m con respecto a su volumen V Unidades de la densidad (SI) Ahora, si en lugar de trabajar con la masa trabajamos con el peso de un cuerpo W=mg), obtendremos lo que se conoce como el peso especifico de un cuerpo , y es común utilizar libra por pie cúbico (lb/ft 3 ).

En ocasiones también se utiliza el concepto de gravedad específica cuando se trabaja con densidades y se obtiene de compara la densidad de la sustancia con respecto a la densidad del agua (la gravedad especifica es una cantidad sin dimensiones) y se define de la siguiente manera: La gravedad especifica de una sustancia se define como la razón de su densidad con respecto a la densidad del agua a 4° C (1000 kg/m 3 )

Actividad 2: Elabora un mapa conceptual de los fluidos y sus propiedades : Entregar viernes 28/01/2010 Recuerda en caso de plagio se elimina la calificación

Ejercicios: (Tippens 7ª ed.) ¿Qué volumen ocupan 0.4 kg de alcohol? ¿Cuál es el peso de este volumen? Una sustancia desconocida tiene un volumen de 20 ft 3 y pesa 3370 lb. ¿Cuáles son el peso específico y la densidad? ¿Qué volumen de agua tiene la misma masa que 100 cm 3 de plomo?, ¿Cuál es el peso específico del plomo? Un matraz de 200 ml (1L = 1 000 cm3) está lleno de un líquido desconocido. Una balanza electrónica indica que el líquido en cuestión tiene una masa de 176 g. ¿Cuál es la gravedad específica del líquido? ¿puede adivinar qué es ese líquido?

Presión Cuando se trabaja con la presión consideramos dos casos la presión ejercida por un sólido y la ejercida por un fluido, en ambos casos definimos un concepto diferente de presión, la presión que ejercen los sólidos sobre las superficies en las que se encuentran se define como: Presión (sólidos) : A la fuerza normal por unidad de área En el S.I. N/m2 es un Pascal (Pa) Unidades

¿Con cual de estos objetos es más fácil caminar en la nieve? ¿Por qué? Problema: Calcula la presión que ejerce la siguiente figura sobre el suelo, la masa de la caja es de 36.8 Kg.

Presión del fluido: Para hablar de la presión en un fluido consideremos que si le aplicamos una presión a un fluido no confinado este se fluirá libremente bajo la acción de esta fuerza, pero en el caso de un fluido confinado sucede que la presión se transmite por todo el recipiente que lo contiene. La fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene siempre actúa en forma perpendicular a esas paredes: Los fluidos ejercen presión en todas direcciones

Tenemos un tanque lleno de agua, que tiene varios orificios, de acuerdo con nuestra experiencia, ¿En donde saldrá el agua con mayor presión?: La fuerza con la que sale el agua depende de la altura a la que nos encontremos ¿como es esto?:

Con lo anterior podemos decir que el peso de la columna de agua será Donde D es el peso específico del fluido, luego entonces la presión (peso por unida de área) a la profundidad h está dada por O en términos de densidad del fluido La presión del fluido en cualquier punto es directamente proporcional a la densidad del fluido y a la profundidad bajo la superficie del fluido (presión hidrostática)

Pregunta: En la parte más profunda de los recipientes de la siguiente figura, ¿en cual se siente una mayor presión hidrostática?

¿Cómo es la presión en un fluido cuando se encuentra en un recipiente abierto y es afectado por el peso del aire? Primero observemos el siguiente dibujo. De la imagen podemos ver que conforme más alto nos encontramos la presión atmosférica desciende, esto es, el aire pesa y todo cuerpo sobre la superficie soporta una presión debida al peso del aire, a nivel del mar la presión de la atmósfera es aproximadamente de 101.3 kPa en el sistema ingles 14.7 lb/in 2 , también es común en el caso de la presión atmosférica utilizar los mm de mercurio.

Regresando a la pregunta de la presión en el caso de un recipiente abierto, éste está sujeto a la presión atmosférica y a la presión hidrostática del fluido, pero ¿Cómo las combinamos?, para resolverlo utilizaremos el principio de Pascal que dice: Una presión externa aplicada a un fluido confinado se transmite uniformemente a través del volumen del líquido. Ahora, la presión que se siente en el interior de un fluido en un recipiente abierto a la atmósfera es: Donde P 0 = 101.3 KPa.

Realiza la siguiente práctica: Material Un recipiente transparente. Una lámina de papel o plástico delgado Regla Procedimiento: Mide el recipiente. Llena totalmente el recipiente con un liquido (agua). Tapa el recipiente con la hoja de papel o el plástico. Voltea el recipiente y observa que pasa. Preguntas: Por que no se cae el líquido ¿Cual sería el alto del recipiente máximo que podemos utilizar para que pase esto? Que factores consideras influirán en este dato, explica por que. Investiga: Los efectos de la presión atmosférica sobre el cuerpo humano.

Prensa hidráulica Una de las aplicaciones más importantes y utilizadas del principio de Pascal es la prensa hidráulica ya que se utiliza como un multiplicador de la fuerza. Para ejemplificarlo veamos la siguiente figura: Utilizando el principio de Pascal tenemos:

Reacomodando tenemos: La fórmula anterior es conocida como la ventaja mecánica ideal. Analicemos la fórmula de la presión hidráulica, suponiendo que A 0 = 1/2A i y veamos el valor de la fuerza de salida.

Para el caso de la presa hidráulica el trabajo mecánico se conserva y podemos escribir: Despejando podemos expresar ahora la ventaja mecánica ideal como:

Problema: Una prensa hidráulica tiene un embolo de entrada de 5 cm de diámetro y un émbolo de salida de 60 cm de diámetro. ¿Qué fuerza de entrada se requiere para proporcionar una fuerza total de salida capaz de levantar un automóvil de 950 kg? Con lo que hemos visto como podrías explicar lo de levantar a una persona con la fuerza del nuestro pulmones. Realiza una investigación y muestra al grupo 5 usos que en la vidad diaria le puedes dar al principio de Pascal (incluyendo la prensa hidráulica).

Principio de Arquímedes La experiencia nos dice que cuando nos encontramos en una alberca tenemos la sensación de pesar menos, es más un objeto o persona que se encuentra en el agua parece perder parte de su peso, ¿Por qué, pasas esto? Arquímedes (287-212 a.C.) fue el primero en descubrir el empuje vertical que sufren los cuerpos que se encuentran sumergidos en un fluido. Un objeto que se encuentra parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente (empuje) igual al peso del fluido desalojado

De lo anterior : Empuje = peso del fluido desalojado Experimenta: Calcular la fuerza de empuje que recibe una lata de refresco cuando se sumerge en agua, utiliza una refresco normal y un refresco dietético, diseña el experimento. Intenta hacer que la lata flote (para ello varia la masa), describe tu experimento y grábalo, explica en tu video como se puede aplicar el principio de Pascal, también menciona algunas aplicaciones de este principio la vida cotidiana. Fecha de entrega 9 de febrero de 2011

Analicemos lo siguiente: Un pedazo de aluminio de 30g ocupa un volumen de 12 cm3. con un dinamómetro se establece que su peso es de 0.294N (Peso real). Luego se sumerge al pedazo de aluminio en un recipiente con agua y se vuelve a pesar con el dinamómetro, que indica que su peso es de 0.176N(peso aparente). La fuerza de empuje FE es equivalente a la diferencia entre el peso real y el peso aparente. FE = 0.294N-0.1764N = 0.1176N Ahora por otra parte FE puede encontrarse por el principio de Arquímedes Y que al sustituir obtenemos 0.1176N Esto es útil ya que en muchos problemas podemos encontrar una combinación de estos resultados.

¿Cuál sería la fuerza de empuje a la que se encuentra sometida un cuerpo de 300g y 38.5cm 3 si este se encuentra sumergido en agua? Del ejemplo anterior ¿Cuál seria el peso aparente del cuerpo en el agua? Un cilindro metálico de 150g y 55.55cm 3 pesa en el aire 1.47N y en un solvente 1.03N. Halla la densidad del solvente.

Fluidos en movimiento (hidrodinámica) Consideraremos dos tipos de flujos para poder facilitar el estudio de las corrientes de los fluidos. flujo Laminar (aerodinámico) Turbulento Cada partícula en el fluido sigue la misma trayectoria que siguió la partícula anterior Cuando flujo se tiene remolinos o turbulencia, de modo que las líneas que describen el movimiento no sean claras o se crucen

Si consideramos que trabajamos con flujos laminares y con la suposición anterior de que los líquidos son incomprensibles, podemos entonces definir la razón de flujo del fluido , también conocida como GASTO . Gasto (R): EL flujo del fluido se define como el volumen de fluido que pasa a través de cierta sección transversal en una unidad de tiempo. Qué matemáticamente se puede expresar como : Gasto = velocidad por sección transversal También podemos calcular el gasto mediante el volumen por unidad de tiempo

Cuando el fluido es incompresible y no se consideran los efectos del rozamiento, podemos considerar que el gasto es constante y se conserva a lo largo de toda la vena líquida. Lo que nos lleva a la siguiente expresión:

Ejemplo: El agua fluye a través de una manguera de hule de 2 cm de diámetro a una velocidad de 4 m/s. ¿Qué diámetro debe tener el chorro si el agua sale a 20 m/s? ¿Cuál es el gasto en metros cúbicos por minuto? Ecuación de Bernoulli La ecuación de Bernoulli se puede enunciar de la forma siguiente: La presión total a lo largo de una vena líquida se mantiene constante. Por presión total entenderemos, la presión absoluta (manométrica + atmosférica) (1), la presión hidrostática(2), y la presión debida al movimiento del fluido (3)

Calor y Temperatura 2.1 Temperatura 2.1.1 Conceptualización 2.1.2 Unidades de medición 2.2 Calor 2.2.1 Conceptualización Diferencia entre calor y temperatura 2.2.3 Mecanismos de transferencia de calor 2.3 Dilatación de los cuerpos 2.3.1 Conceptualización 2.3.2 Tipos de dilatación - Lineal - Superficial - Volumétrica 2.3.3 Dilatación irregular del agua. 2.4 Calor específico de las sustancias 2.4.1 Calor cedido y absorbido por los cuerpos

¿Qué entendemos por temperatura? Definición: La temperatura de un cuerpo es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo. A mayor energía mayor temperatura. Las escalas que comúnmente se usan son: el grado Celsius (°C) y el grado Fahrenheit (°F) que se encuentran relacionadas entre si por:

En los trabajos científicos se utiliza la escala absoluta o kelvin Punto de ebullición del agua T. Cuerpo Humano T. Cuarto promedio Punto de congelamiento del agua Cero absoluto

Aplica las fórmulas anteriores: Convierte 37°C, 45°C, 100 °C a °F y °K Convierte 839 °C a °K y °C Convierte 4°K a °C Cuando dos objetos con diferente temperatura se ponen en contacto, se transfiere calor energía de uno a otro, este proceso de transferencia seguirá hasta que el sistema (formado por los dos cuerpos) alcancen una condición estable llamada equilibrio térmico , y ya no habrá mas transferencia de energía.

Se dice que dos objetos se encuentran en equilibrio térmico si y solo si tienen la misma temperatura. Ahora al proceso que se lleva a cabo, de transferir energía térmica le llamaremos calor , por lo que podemos decir que : El calor se define como la transferencia de energía térmica debida a una diferencia de temperatura.

Investiga y realiza una presentación , sobre los mecanismos de transferencia de calor, (equipos de 5 personas, para una duración de 20 min), exponer viernes 25 de febrero. Dilatación de los cuerpos Uno de los efectos más frecuente que sufren los cuerpos con el calor es el cambio en su tamaño, ya que este aumenta o disminuye, dependiendo de los cambios de temperatura a los que se encuentra sometido. Dilatación Lineal superficial volumétrico

Para el caso de la dilatación lineal tenemos que un cuerpo con una longitud L 0 inicial al aplicarle calor aumenta su longitud que podemos medir, dependiendo del material por medio de la siguiente fórmula: Donde α = coeficiente de dilatación lineal. ∆ L = incremento/decremento lineal ∆ t = diferencia de temperatura

Ejemplo: Una tubería de hierro tiene 60 m de longitud a temperatura ambiente (20 o C). Si se va a utilizar para conducir vapor, ¿Cuál será la tolerancia a la dilatación y qué nueva longitud tendrá la tubería luego de que el vapor haya fluido por ella cierto tiempo. (T vapor = 100 o C) Coeficientes de dilatación Lineal Sustancia Coeficiente de dilatación Lineal (1/°C) Acero 1.2x10 -5 Aluminio 2.4x10 -5 Zinc 2.6x10 -5 Cobre 1.7x10 -5 Concreto 0.7x10 -5 Hierro 1.2x10 -5 Latón 1.8x10 -5 Plata 2.0x10 -5 Plomo 3.0x10 -5 Vidrio Pyrex 0.3x10 -5 Mercurio 6.1x10 -5

Dilatación Superficial Pasemos al caso en que no solo tenemos dilatación en un solo sentido (longitud), consideremos una superficie que se expone a una diferencia de temperatura, por lo que tendremos dilatación superficial. Wo W Lo L S La expresión matemática para la dilatación superficial es

Ejemplo: Un disco de latón tiene un agujero de 80 mm de diámetro en su centro. Luego, disco, que tiene 23°C, se coloca en agua hirviente durante algunos minutos. ¿Cuál será el área nueva del agujero? Dilatación Volumétrica Ahora consideremos el proceso de dilatación que sufrirá un cuerpo en el espacio cuando es sometido a un cambio de temperatura. Si hacemos que Entonces :

Ejemplo: Un matraz de vidrio Pyrex se llena con 50 cm3 de mercurio a 20°C. ¿Qué volumen se derramará si el sistema se calienta de forma uniforme a una temperatura de 60°C? Investigación Investiga la dilatación irregular del agua, ilustra tu investigación.

Problemas Una viga metálica a 35°C mide 50m y a 105°C mide 50.043m. ¿Cuánto vale α ? A 15 °C una varilla de hierro mide 18 m. ¿A qué temperatura se debe calentar para que su longitud sea de 18.04 m? Del problema anterior, si queremos que la longitud final sea de 17.98 m, ¿a que temperatura debe enfriarse? Un cubo de latón de 3 cm de arista a 40°C aumentó su volumen a 27.12 cm 3 . ¿Cuál es la temperatura final que logra este aumento? Una loza de concreto tiene 20m de largo, ¿Cuál será el incremento en su longitud si la temperatura cambia de 12 a 30°C? Suponga que α = 9X10 -6 /°C. Una placa de cobre cuadrada mide 4 cm por lado a 20°C. ¿Cuál es el incremento del área de la placa de cobre?. Un matraz Pyrex tiene un volumen interior de 600 ml a 20°C , ¿A qué temperatura el volumen interior será de 603 ml?

Cantidad de calor La idea del calor como sustancia se debe descartar (por aquella idea del calor contenido), sino de algo que él mismo cede o absorbe. El calor es simplemente otra forma de energía que puede medirse por los efectos que produce. La unidad en el SI para medir la energía es el joule (J), por lo que deberemos medir el calor en términos del joule, sin embargo, existen tres tipos clásicos para ello, que son: Caloría (cal): es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado. Kilocaloría (Kcal): es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un kilogramo de agua un grado centígrado. Unidad térmica británica (BTU): es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit. Tipos Clásicos

Existe una relación entres estas unidades y la podemos expresar como sigue: 1 BTU = 252 cal = 0.252 kcal La relación de estos tipos clásicos con la unidad JOULE se da gracias al experimento de Joule y se establece lo que se conoce como el equivalente mecánico del calor , y se obtienen las siguientes relaciones: 1 cal = 4.186 J 1kcal = 4186 J 1Btu = 778 ft·lb

Calor específico o capacidad calorífica. Se llama calor especifico a la cantidad de calor necesario para que la unidad de masa aumente la unidad de temperatura. Si se conoce el calor específico de una sustancia es posible calcular la cantidad de calor ganada o perdida por dicha sustancia al variar la temperatura.

Una idea de la capacidad calorífica nos la podemos ver en las cinco esferas representadas, se calientan mediante un mechero que proporciona el mismo calor y sin embargo, podemos ver que las esferas se calientan de manera diferente.

Ejercicios: Una barra de aluminio de 500g se calienta de 20°C a 50°C. ¿Qué cantidad de calor absorbe el aluminio? ¿Qué cantidad de calor pierden 1000 g de agua cuando se enfría de 15°C a 2°C? Con 50Kcal hasta dónde se puede aumentar la temperatura de 1200g de agua a 22°C Cinco kilogramos de oro a 80°C liberan 12 Kcal de calor. ¿A qué temperatura se enfrió? Sustancia Calor especifico cal/g°C Agua 1 Aluminio 0.22 Hierro 0.107 Oro 0.030 Plata 0.056 Bronce 0.09 Vidrio 0.20 Plomo 0.030

Calorimetría Si mezclamos dos sustancias con diferentes temperaturas es un recipiente aislado (para evitar pérdidas de calor) ambas presentarán intercambio de calor hasta lograr el equilibrio.

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