FÍSICA II.

FLUIDOS.

 FLUIDO:

Se denomina fluidos a los estados de la materia que pueden fluir, es decir, pasar a través de un orificio.
Los fluidos pueden ser líquidos y gases, ya que ninguno de los dos puede conservar una forma estable. No obstante, la diferencia entre ellos es que los primeros se adaptan a la forma del contenedor que los aloja, mientras que los segundos tienen menor atracción entre sus partículas, por lo que pueden ser comprimidos, careciendo tanto de volumen como de forma.

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS FLUIDOS.

• 
  COHESIÓN: 

Fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia, y esta es la razón por la que si dos gotas de agua se encuentran próximas entre sí.

• ADHESIÓN:

Se llama adherencia o adhesión a la fuerza que permite la atracción de las moléculas de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto y se mantienen juntas gracias a las fuerzas intermoleculares.

• TENSIÓN SUPERFICIAL:

Es el resultado de las fuerzas de cohesión entre las partículas de un líquido, en otras palabras, es la tendencia de la superficie de un líquido a contraerse para lograr el área más pequeña.

• VISCOSIDAD:

Se refiere al rozamiento interno que existe entre las capas de un fluido. En los líquidos, esta propiedad puede variar por efecto de la temperatura. En los gases, sucede el efecto contrario: si se incrementa la temperatura aumenta su viscosidad.

• 
  CAPILARIDAD:

Se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida. El ascenso de líquido “por sí solo” se debe a la capilaridad, y ocurre porque la fuerza de adhesión entre las moléculas del líquido y de la pared sólida es mayor que la fuerza de cohesión entre las moléculas de líquido.

• INCOMPRESIBILIDAD:

La incompresibilidad es una cualidad que se refiere a la incapacidad de un material o sustancia para ser comprimido o reducido en volumen bajo la acción de una fuerza externa. En otras palabras, un material incompresible no puede ser comprimido o deformado fácilmente cuando se le aplica presión.

Esta propiedad es comúnmente observada en líquidos y sólidos, ya que las partículas que los componen están muy cerca unas de otras y no pueden ser comprimidas sin que se rompan las fuerzas de atracción entre ellas.

• DENSIDAD:

Es una magnitud escalar que, en general, se mide en kg/m³ o g/cm³. Mide la cantidad de materia por volumen determinado de una sustancia, independientemente del tamaño y de la masa. 

La densidad es una propiedad intrínseca de un material esto quiere decir que no depende del tamaño del material, o sea dos objetos del mismo material pero diferente tamaño poseen la misma densidad. Es una propiedad que depende del de la temperatura y el estado físico en el cual se encuentre el material.

Su fórmula es: 

ρ= m/v

Donde:

m= Masa.

v= Volumen.

• PESO ESPECÍFICO:

Es la razón entre el peso de una cantidad de una sustancia y su volumen, medida según el Sistema Internacional en Newtons por metro cúbico (N/m³).

Su fórmula es:

γ= w/v = mg/v = ρg

Donde:

w= Carga.

v= Volumen.

m= Masa.

g= Aceleración gravitatoria de la Tierra (9.81 m/s²).

ρ= Densidad.

APOYO:

• https://www.youtube.com/watch?v=8tDH0hxu-5Q&pp=ygUicHJvcGllZGFkZXMgZmlzaWNhcyBkZSBsb3MgZmx1aWRvcw%3D%3D

HIDROSTÁTICA:

La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica que estudia los fluidos en estado de equilibrio; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.
Aunque los fluidos obedecen a las mismas leyes físicas que los sólidos, la facilidad con la que cambian de forma hace que sea conveniente estudiar pequeñas porciones en un lugar de todo el fluido. Por eso se reemplazan las magnitudes extensivas (que dependen de la cantidad de materia) por las magnitudes intensivas (que dependen de la cantidad de materia) la masa se reemplaza por la densidad y el peso se reemplazara por el peso especifico.

La presión (P) se relaciona con la fuerza (F) y el área o superficie (A) de la siguiente forma: P=F/A.

La ecuación básica de la hidrostática es la siguiente:

dP = ρgdh

Siendo:

P: Presión.

ρ: Densidad del fluido.

g: Aceleración gravitatoria de la Tierra (9.81 m/s²).

h: Altura. 

APOYO:

• https://www.youtube.com/watch?v=DpcNgW6HEgI&pp=ygUMSElET1JTVEFUSUNB

PRESIÓN:

Las fuerzas que ejerce un fluido sobre el medio que lo rodea vienen caracterizadas por una sola magnitud, la presión en el fluido, la cual se define como la cantidad de fuerza perpendicular aplicada sobre una superficie, esto es:

La unidad en el SI de la presión es el Pascal.

APOYO:

• https://www.youtube.com/watch?v=drTjCpZG4qE&pp=ygUOUFJFU0lPTiBGSVNJQ0E%3D

PRINCIPIO DE PASCAL:

Enunciada por el físico y matemático Blasie Pascal, es una ley que establece que la fuerza aplicada en la superficie de un fluido en reposo (es decir, la velocidad de sus partículas es cero) e incompresible se transmite con la misma intensidad en todas las direcciones de dicha sustancia; siempre que el recipiente en el que se encuentre no se deforme.

Dicho de otra forma, la presión ejercida sobre un fluido en alguna parte del mismo se esparcirá uniformemente por todo su volumen. Recordando que P= F/A (fuerza entre el área) podemos expresar a la presión dentro del fluido estático de dos formas:

Igualamos ambas ecuaciones:

Por tanto, si se aplica una fuerza F1 en la placa con superficie A1, debido al principio de Pascal, en la placa con área A2 se siente una fuerza igual a:

APOYO:

• https://www.youtube.com/watchv=7g4KayFBBuQ&pp=ygUTUFJJTkNJUElPIERFIMOBU0NBTA%3D%3D
• v=bQnfK8EjpxI&pp=ygUfcHJpbmNpcGlvIGRlIHBhc2NhbCBlamVyY2ljaW9zIA%3D%3D

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES:

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SIU). 

El principio de Arquímedes se formula así: 

E =mg= ρf g v

Donde:

E= Es el empuje.

ρf= Es la densidad del fluido.

v= El «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo

g= Aceleración de la gravedad y m la masa, de este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales y descrito de modo simplificado ) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado

en el centro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo.

APOYO:

• https://www.youtube.com/watch?v=oPc7d9NcfXk&pp=ygUXcHJpbmNpcGlvIGRlIGFycXVpbWVkZXM%3D
• https://www.youtube.com/watch?v=9XpQ2YxaCI0&pp=ygUXc

HIDRODINÁMICA:

Estudia el comportamiento del movimiento de los fluidos; en sí la hidrodinámica se fundamenta principalmente en los fluidos incompresibles es decir los líquidos; para ello considera la velocidad, presión, flujo y gasto.

Se aplica en el diseño y construcción de presas, canales, acueductos, cascos de barcos, aviones, hélices, turbinas, frenos, amortiguadores, colectores pluviales entre otras aplicaciones.

El estudio de los líquidos en movimiento considera que:

• Son completamente incomprensibles.
• Ideales, esto es que carecen de viscosidad.
• El flujo es estacionario o estable, porque se considera que la velocidad de cada partícula de líquido que pasa por el mismo punto es igual.

GASTO:

El gasto se define como el volumen de fluido que pasa a través de cierta sección transversal en una unidad de tiempo.

Q= v/t= Av

Q= Gasto en m3/s o cm3/s

v=volumen del fluido en m3 o cm3

t=tiempo en segundos.

FLUJO:

Cantidad de masa en un fluido que atraviesa el área de la sección transversal de un tubo, por segundo.

F= m/t

F=Flujo en jg/s o gr/s

m=Masa del fluido en kg o gr

t=tiempo en s.

ECUACIÓN DE CONTINUIDAD:

Fluido imprescindible establece que la masa total de un fluido que circula por un tubo sin pérdidas ni ganancias, se mantiene  constante. La masa se conserva sin cambios a medida que el fluido se desplaza 

v1=v2

A1d1=A2d2

Cómo=vt, tenemos=A1v1t=A2v2t2

A1v1=A1v2

La e. de continuidad nos indica que el gasto es constante, equivale a la expresión

Q1=Q2

PRINCIPIO DE BERNOULLI:

El principio de Bernoulli es un enunciado que parece ir en contra de la intuición, acerca de cómo la velocidad de un fluido se relaciona con la presión del fluido. Muchas personas sienten que el principio de Bernoulli no debería de ser correcto, pero esto se debe a un mal entendimiento de lo que dice el principio. El principio de Bernoulli establece lo siguiente:

El principio de Bernoulli: dentro de un flujo horizontal de fluido, los puntos de mayor velocidad del fluido tendrán menor presión que los de menor velocidad.

La ecuación de Bernoulli es esencialmente una manera matemática de expresar el principio de Bernoulli de forma más general, tomando en cuenta cambios en la energía potencial debida a la gravedad. Deriváremos esta ecuación en la siguiente sección, pero antes de hacerlo miremos cómo es la ecuación de Bernoulli, desarrollemos una idea de lo que dice y veamos cómo podemos usarla.

La ecuación de Bernoulli relaciona la presión, la velocidad y la altura de dos puntos cualesquiera (1 y 2) en un fluido con flujo laminar constante de densidad.

 

Usualmente escribimos la ecuación de Bernoulli de la siguiente manera:

TEOREMA DE TORRICELLI:

El teorema de Torricelli, o principio de Torricelli, afirma que la velocidad del líquido que sale por el orificio en la pared de un tanque o recipiente, es idéntica a la que adquiere un objeto que se deja caer libremente desde una altura igual a la de la superficie libre del líquido hasta el orificio. El teorema se ilustra en la imagen superior.

Debido al teorema de Torricelli, podemos afirmar entonces que la velocidad de salida del líquido por un orificio que está a altura h por debajo de la superficie libre del líquido viene dada por la siguiente fórmula:

Donde g es la aceleración de gravedad y h es la altura que hay desde el orificio hasta la superficie libre del líquido.

Evangelista Torricelli fue un físico y matemático nacido en Faenza, Italia, en 1608. A Torricelli se le atribuye la invención del barómetro de mercurio, y como reconocimiento hay una unidad de presión llamada “torr”, equivalente a un milímetro de mercurio (mm de Hg).

HIDRÁULICA:

Estudia los fluidos y su comportamiento cuando interactúan con otras sustancias así como sus propiedades y aplicaciones 

Dos ramas: Hidrostática. Fluido, estado de reposo, Hidrodinámica, Movimiento. 

La hidráulica es una tecnología que emplea un líquido o fluido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover o hacer funcionar una máquina o un mecanismo. Este fluido puede ser agua o aceite aunque el más utilizado es el aceite. Cuando hablamos de aceite deberíamos emplear la palabra oleohidráulica pero en el ámbito industrial se emplea el término hidráulica para referirnos a aquello que tiene que ver con la mecánica de fluidos.

¿En qué consiste? Se trata de hacer aumentar la presión del fluido mediante una bomba para utilizarlo como trabajo útil en un actuador, normalmente un cilindro. El líquido ejerce presión sobre el cilindro que transformará su fuerza en un movimiento que será capaz de levantar un peso, abrir una puerta, accionar otro mecanismo etc.

APOYO:

• https://www.youtube.com/watchv=GLQSLlo4NPM&pp=ygULSElEUsOBVUxJQ0E%3D

FORMA:

Figura que posee un cuerpo en su exteriorización, así reconocemos formas rectangulares, cuadradas, redondas, rectangulares, etcétera, y distintas formas en un mismo cuerpo.

VOLUMEN:

 Cantidad de espacio que ocupa un cuerpo a una sustancia. 

El volumen de un líquido se mide directamente con instrumentos que se encuentran graduados para realizar dichas mediciones como es el caso de una probeta o una pipeta. Para medir el volumen de un sólido irregular, como una piedra, se utiliza un recipiente graduado como la probeta.

PRESIÓN ABSOLUTA:

La presión absoluta es la que se mide en comparación con el vacío absoluto, por lo cual siempre es una cantidad positiva. Esto tiene sentido, ya que en el vacío no hay materia alguna que ejerza fuerza, y en consecuencia no hay presión.

En cambio la presión relativa se mide siempre respecto a otra que se toma como referencia, siendo la más usual la que ejerce la masa gaseosa que envuelve a la Tierra: nuestra atmósfera, ya que siempre estamos sujetos a ella.

Por este motivo la mayoría de los instrumentos utilizados para medir presión, llamados manómetros, están calibrados para que el cero corresponda precisamente a dicha presión atmosférica.

La presión atmosférica se define como la fuerza por unidad de área que ejerce la atmósfera terrestre, utilizándose el pascal como unidad de medida de la presión en el Sistema Internacional de medidas SI, tanto para la presión atmosférica como cualquier otra.

Al emplear instrumentos como un medidor de presión para neumáticos, por ejemplo, lo que en realidad medimos es la diferencia que existe entre la presión del neumático y la que ejerce la atmósfera. Sin embargo, también existen instrumentos para medir la presión absoluta, los barómetros.

Pab = Patm + Pman

TERMOLOGÍA.

Parte de la física que trata de los fenómenos en que intervienen el calor o la temperatura.

TEMPERATURA.

Es la propiedad física que indica que tan caliente o frío se encuentra un cuerpo con respecto a otro. Al suministrar calor a una sustancia, ésta, además de elevar su temperatura, también modifica sus propiedades. 

Cuando dos cuerpos entran en contacto y están a diferente temperatura, después de cierto tiempo, ambos cuerpos se encontrarán a una temperatura, dejarán de tener intercambio de energía y en su momento, alcanzarán el equilibrio térmico.

La temperatura depende del estado de agitación o de movimiento de las moléculas, es decir, la energía cinética promedio de las moléculas de la sustancia.

Las escalas termométricas originales se definen con base a dos temperaturas fáciles de reproducir:

• Punto fijo inferior (punte de congelación), es la temperatura en la que el agua y el hielo coexisten en equilibrio térmico a la presión de 1 atm.

• Punto fijo superior (punto de ebullición), es la temperatura a la que el agua y el vapor coexisten a la presión de 1 atm.

ESCALAS DE TEMPERATURA.

Los fenómenos relacionados con el equilibrio térmico son estudiados por la Termometría, la cual es una parte de la física que se refiere a la medición de la temperatura de los cuerpos.

Para medir la temperatura utilizamos un instrumento llamado termómetro, el cual tiene integrada una escala graduada. Existen básicamente cuatro escalas de temperatura utilizadas a nivel mundial y las cuales guardan una relación entre sí. Éstas son:

• Escalas Fahrenheit y Celsius: Esta escala, llamada en honor de Daniel Fahrenheit (1686-1736), equivale a asignar el valor de 32° T a la temperatura de fusión del agua y 212° F a la ebullición del agua a presión de la atmósfera. Anders Celsius, en la escala diseñada por él, se basó en el punto de fusión del hielo, al que se asignó un valor de 0 grados, y en el punto de ebullición del agua, al que asignó el valor de 100 grados, bajo presión de una atmósfera (760 mm Hg), por lo que su escala quedó dividida en 100 partes, el símbolo C. Ambas escalas están divididas en 100 partes iguales; una división en la escala Celsius equivale a 1.8 divisiones en la escala Fahrenheit. La relación matemática que indica esto es la siguiente: "F=(1.8)(°)+32.
• Escala Kelvin:  La escala de temperatura Kelvin está basada en el cero absoluto, En la escala Kelvin, el punto cero (0 K), es el cero absoluto, el punto de congelación del agua (0°C) es de aproximadamente 273 K y el punto de ebullición (100 °C) es de 373 K. Cada intervalo de esta escala se denomina Kelvin.
• Escala Rankine: La escala de temperatura Rankine es una escala de temperatura absoluta propuesta en 1859 por William Rankine. Su símbolo es °R. Tiene su punto cero absoluto en -460 °F y los intervalos de grados son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. La relación entre la temperatura en °R y la temperatura correspondiente en °F es °R= °F +460.

APOYO.

• https://youtu.be/-Jrb3Ppr7Pw?si=x50TcYtVIYTAfkkj

CALOR:

Transferencia de energía térmica debida a una diferencia de temperatura entre dos cuerpos. Se representa con la letra C, sus unidades de medida son la caloría y la BTU (Unidad térmica Británica) principalmente. Una caloría equivale a 4.1801 J.

Junto con ella se relaciona el calor especifico de sustancias involucradas.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

La calorimetría es la rama de la física que se encarga de estudiar la medida de las cantidades de calor, es decir, la cantidad de energía presente en los procesos térmicos. La unidad de calor apropiada en el sistema internacional es el Joule, se utiliza, con frecuencia la caloría. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en grados centígrados.

En el sistema Inglés, la unidad de medida de la cantidad de calor es la BTU (Unidad Térmica Británica), la cual se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit. La aplicación más usual de esta medida es en los sistemas de aire acondicionado.
La relación entre estas unidades se menciona a continuación:

Una Kcal= 3.97 BTU.
Una caloría (cal)= 4.18 Joules.
Una kilocaloría= 4186 Joules.
Una BTU= 778 ft.lb= 0.232 kcal.

El calor puede transferirse de un lugar a otro por:  

CONDUCCIÓN.

Ocurre cuando el calor se transfiere a propaga a través de un cuerpo sólido, por colisiones entre las moléculas de la región más caliente de un cuerpo material y las moléculas más frías, sin que estas sufran ninguna traslación en el interior del cuerpo.

R= representación matemática del flujo calor por conducción es:

H= Q/r= KA ∆T/

H= Velocidad de transferencia del color (cal/s).  

Q= Cantidad de calor, (caloría) T= Tiempo de transferencia de calor (s).
A= Sección transversal (área) (m², cm², mm²).
K= Constante de conductividad térmica (BTU in/ft² h °F)
∆T=Diferencia de temperaturas (°C, °F).
/ =Longitud conductor (espesor) (m, cm, mm).

La conductividad térmica es la capacidad que tiene una sustancia para conducir el calor. Se representa:

K= Q/ AT∆T

CONVECCIÓN.

Se presenta cuando la propagación del calor es ocasionada por el movimiento de la sustancia caliente.

Fórmula para calcular el calor transferido por convección:

H= Q/T= hA∆T

Donde:

H= Velocidad de transferencia de calor (cal/s).

Q= Cantidad de calor (caloría).

T= Tiempo de transferencia del calor (s).

h= Coeficiente de convección (kcal/m²,s,°C).

A= Sección transversal (área m², cm², mm²).

∆T= Diferencia de temperaturas en °C o °F.

RADIACIÓN.

Es el proceso mediante el cual el calor se transfiere de ondas electromagnéticas esparcidas, originadas a nivel atómico, incluso en el vacío, a una velocidad máxima de 300 000 km/s. Todo cuerpo caliente irradia calor y cuando este calor llega a otro cuerpo, una parte es absorbida y otra es reflejada.

EMISIVIDAD (e).

Mide la capacidad de un cuerpo para absorber o emitir radiación térmica, es una cantidad adimensional con un valor numérico que se encuentra ente O y 1, dependiendo de la naturaleza de la superficie. Cuando se tiene un cuerpo negro, la emisividad de éste es de 1. La velocidad de radiación R se define formalmente como la energía radiante emitida por unidad de área por unidad de tiempo, o dicho de otro modo, la potencia por unidad de área.

Si la potencia radiante P, se expresa en watts y la superficie A (área ) en m², la velocidad de radiación estará expresada en watts por m². Como ya la hemas dicho, esta velocidad depende de 2 factores: la temperatura absoluta T y la emisividad (e) del cuerpo radiante. El enunciado formal de esta dependencia, conocida como la ley de Stefan-Boltzmann, se representa:

Er= Pr/A= eσT⁴

Donde:

Er= Energía radiada por unidad de tiempo, por unidad de área. 

P= Potencia radiante, watts.

A = Area, m².

e= Emisividad de la superficie, de O a 1.

σ= Constante de stefan = 567 x 108/wm²K⁴.

T⁴= La cuarta potencia de la temperatura absoluta K⁴. La constante de proporcionalidad σ es una constante universal. Si la potencia radiante se expresa en watts y la superficie en m², σ tiene el valor de 5.6x10-⁸ m² K4.

La emisividad tiene valores de 0 a 1 dependiendo de la naturaleza de la superficie radiante.

DILATACIÓN.

Es la variación en las dimensiones que sufre un cuerpo al experimentar una alteración en la temperatura.

Se clasifica en:

> Dilatación lineal.

> Dilatación superficial.

› Dilatación volumétrica.

> Dilatación onómala del agua.

DILATACIÓN LINEAL.

Es el incremento en la dimensión lineal que experimentan los cuerpos sólidos al aumentar sus temperaturas. Esta dilatación se debe a que la elevación de la temperatura produce un aumento en la distancia promedio entre los átomos.

Al incrementar la temperatura de una barra (de T⁰ a Tf) se incrementa proporcionalmente su longitud.

Introduciendo la constante de proporcionalidad (a) denominado coeficiente de dilatación lineal, la ecuación queda:

∆L= aL⁰∆T

Considerando que:

∆/=/f-/⁰ y sustituyendo en la ecuación anterior, obtenemos: 

/f-f0= a /0 ∆T

Despejando/ (/+αΔΤ)

donde:

∆/ variación de la longitud (m, pie).

a = coeficiente de dilatación lineal (°C-1, °F-1).

/= longitud inicial de la barra (m, pie).

∆T = variación de la temperatura (m, pie).

Coeficiente de dilatación lineal (a) es el incremento lineal que experimenta una varilla de determinada sustancia, de longitud igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centígrado. 

Es un valor específico para cada material, lo que provoca que se dilaten en diferentes proporciones, pues las fuerzas con que se unen los átomos y las moléculas varían de una sustancia a otra. La representación de este coeficiente es la siguiente:

APOYO.

• https://youtu.be/IwGm-Gphumo?si=YGvBI7_ahK9Bwa25

DILATACIÓN SUPERFICIAL.

Es el incremento de área o superficie que experimenta un cuerpo al incrementar la temperatura.

Al variar la temperatura de una placa, su área varía proporcionalmente.

ΔA es proporcional a A⁰, ∆T.

Introduciendo la constante de proporcionalidad (β) la ecuación queda:

ΔΑ= βΑ⁰ΔΤ

Sustituyendo en la ecuación anterior, obtenemos: 

Αf= Α⁰ (1 + βΔΤ)

donde:

∆A = Variación en el área de la placa (m²).

β = Coeficiente de dilatación superficial (°C-1).

A¹ = Área inicial de la placa (m²).

∆T = Variación de la temperatura (°C).

A² = Área final de la placa (m²).

Coeficiente de dilatación superficial es el incremento en el área que experimenta una placa de determinado material, de superficie igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centígrado.

Es específico para cada material y no se necesitan tablas, ya que el valor se obtiene multiplicando por dos el coeficiente de dilatación lineal.

β= 2a

APOYO.

• https://youtu.be/f1jjP1nmhVA?si=yOeTPz_AOt_404bP

CALOR ESPECÍFICO:

Una vez que se ha transferido de un cuerpo a otro, ya no se le denomina calor, sino energía interna. Dicha energía de las sustancias se define como la suma de las energías cinética y potencial de todas las moléculas individuales que la constituyen.

Como la energía debe conservarse, entonces el calor cedido por cuerpo caliente es el equivalente al ganado por el cuerpo frío, es decir, calor cedido=calor ganado. Es aquí que la temperatura se entiende como una unidad fundamental para determinar la cantidad de calor cedido. Para calcular la cantidad de calor.

Q= mC∆T

donde:

C= calor específico (cal/gr°C o BTU/Lb°F)

m= masa (gr o lb).

Q= cantidad de calor (cal o BTU).

∆T= cambio de temperatura (°C o °F).

Todo cuerpo o sustancia tiene la capacidad de transferir energía a otro cuerpo con temperatura más baja. El calor específico es la cantidad de calor necesaria pare elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa:

C=Q/m∆T

Algunos calores específicos más comunes a utilizar son los siguientes:

EJERCICIO.

En una esfera de metal se encontró que su masa es de 15 g y la cantidad de calor absorbida al aumentar su temperatura en 10 °C es 8.5 cal. ¿Cuál es el valor del calor específico? Datos: m = 15gr Q = 8.5cal ∆T = 10 °C Fórmula: C= Q/mT Desarrollo: C= 8.5 Cal/(15g)(10°C). C= 5.6 J

APOYO.

• https://youtu.be/-Jrb3Ppr7Pw?si=DmjJEWCrkFZ0SZBC

SISTEMA TERMODINÁMICO.

Un sistema es una porción del universo que se toma como objeto de estudio y que separamos del resto del universo por medio de un límite o frontera. El entorno es la parte del universo más próxima al sistema y que se ve afectada de algún modo por los procesos que ocurren dentro del sistema. 

El sistema puede ser: 

• CERRADO.

Consiste en una región de masa constante; a través de los límites solo se permite la transferencia de energía. Se denomina masa de control. 

• ABIERTO.

En este es posible la transferencia de masa y de energía a través de sus límites; la masa contenida en él no es constante. La superficie limitante (imaginaria), se llama superficie de control. 

• AISLADO.

Este no puede transferir materia ni energía con el medio. El universo en su totalidad se considera como un sistema aislado. 

 PROCESOS TERMODINÁMICOS.

Involucrados con estudiar las dos leyes básicas que deben obedecerse cuando se utiliza energía térmica para realizar trabajo.La termodinámica es la rama de la física que estudia todas las transformaciones de una forma de energía en otra, y también la transmisión o transferencia de determinada clase de energía. Se trata de la relación estrecha que guarda el trabajo y el calor en las sustancias.

a)Proceso adiabático.
Si el sistema no cede ni recibe calor, por lo que se desarrolla a un calor constante. Se utilizan fronteras hechas con paredes adiabáticas.

b)Proceso no adiabático.
Cuando el sistema interactúa térmicamente con los alrededores por lo que el calor fluye a través de las paredes diatérmicas que los constituyen. Durante este tipo de procesos térmicos un sistema absorbe o cede calor. La cantidad de calor intercambiado en estos varía según la sustancia y el proceso de que se trate.

En un sistema con pared diatérmica existe interacción del sistema con los alrededores, ya que la pared diatérmica permite la transferencia de calor. Una pared adiabática no permite que exista interacción térmica del sistema con sus alrededores.

ENERGÍA INTERNA.

Se define como la suma de las cargas cinéticas y potencial de las moléculas individuales que lo constituyen.
Cuanto mayor sea la temperatura de un sistema, mayor será su energía interna. En las moléculas, los valores absolutos no se pueden precisar, sólo se determina la variación que sufre la energía del sistema:

ΔE= E2-E1.

Donde:

ΔE= Variación de la energía interna expresada en Joules. (J)
E2= Energía interna final en Joules. (J)
E1= Energía interna inicial en Joules. (J) El trabajo de Joule establece el principio llamado equivalente mecánico del calor, en el que se demuestra que por cada Joule de trabajo se producen 0.2389 calorías y que cuando una caloría de energía térmica se convierte en trabajo se obtienen 4.186 Joules.

1 cal= 4.186 J.

1 J= 0.2389 Cal.

ENERGÍA TÉRMICA.

ENERGÍA TÉRMICA.

Grado de energía interna contenida en un sistema termodinámico en equilibrio, (un cuerpo, un conjunto de partículas, una molécula, etc) y que es proporcional a su temperatura absoluta.
Genera el movimiento interno y aleatorio de las partículas de un cuerpo (equivale a la energía cinética) aumenta o disminuye por transferencia de energía, usualmente bajo la forma de calor o de trabajo.
La temperatura de un sistema y su capacidad de generar un trabajo (movimiento) depende de su energía térmica, puede ser transformada, transmitida o conservada hasta cierto punto, la energía térmica es responsable de los estados de agregación de la materia ya que a mayores niveles de energía, mayor agitación de partículas constituyentes de la materia y menor posibilidad de que compartan un espacio limitado.

TRABAJO Y TERMODINÁMICA.

En un trabajo de expansión producido gracias a la energía interna de las moléculas de gas, la temperatura del sistema disminuye. Si al expandirse un gas el volumen final es mayor al inicial, el trabajo es positivo, entonces el sistema realizó un trabajo sobre los alrededores.

W=p1(V2−V1)

Donde:
W= trabajo realizado a una presión constante del gas (proceso isobárico) (Joules).
p= presión constante del gas N/m².
(V2-V1)= variación del volumen en el gas (m³).

LEYES DE LA TERMODINÁMICA.

• Primera ley de la termodinámica.

El cambio en la energía interna de un sistema es igual a la suma de la energía transferida a través de la frontera del sistema por calor y por trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de un tipo a otro.
Matemáticamente se expresa:

ΔE=Q-W o ΔE=Q+W

Q= calor que entra o sale del sistema. (cal o joules)
ΔE= variación de energía interna. (cal o joules)
W= trabajo efectuado por el sistema o trabajo realizado sobre este. (joules o cal)

• Segunda ley de la termodinámica.

Señala que existe un límite en la cantidad de trabajo, el cual es posible obtener a partir de un sistema caliente. Dos investigadores definen la segunda ley como:
a)R.J.E Celsius: el calor no puede por sí mismo, sin la intervención de un agente externo, pasar de un campo frío a uno más caliente. b)W.T Kelvin: es imposible construir una máquina térmica que transforma en trabajo todo el calor que se le suministra.Quiere decir que ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia del 100%.

CALORIMETRÍA.

Técnica que determina los cambios del contenido calórico de un sistema, asociados con un proceso químico o físico. Estudia la relación que tiene la energía calorífica asociada a una reacción química.

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.

Mide la capacidad de un material para conducir el calor. Los materiales con alta conductividad transmiten el calor fácilmente, mientras que los de baja conductividad lo retienen. 
Matemáticamente se expresa:
                                                         Q=K*A* ΔT/L

Q= tasa de transferencia de calor en vatios (W).
K= conductividad térmica del material en W (m*k).
A= área transversal a través de la cual se transfiere el calor en m².
ΔT= diferencia de temperatura entre dos extremos del material en Kelvin (K).
L= espesor o longitud del material a través del cual se transfiere el calor en metros (m).

EJERCICIO.
Una pared de ladrillo de 0.2 m de longitud tiene una conductividad de 0.6 vatios por m/k (w/cm*k)). Si la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la pared es de 20°C. ¿Cuál es la tasa de transferencia de calor a través de la pared?
Datos:                      Fórmula:
L= 0.2 m                   Q= K*A *ΔT/L
K= 0.6 w 
ΔT= 20°C.

Solución: Para una pared el área se omite porque el calor se transfiere a través de la longitud de la pared. 
Q= 0.6*20/0.2
Q= 60 vatios.

CALOR LATENTE.

Tipo de calor que recibe un determinado cuerpo, pero que no produce ningún tipo de incremento en la temperatura del cuerpo, sino que se usa para generar un cambio de estado en la materia.
Matemáticamente se expresa:
                                                 Q= m*L.

Q= calor total o calor total involucrado.
m= masa de la sustancia involucrada en el cambio de fase.
L= calor latente específico de la sustancia.

CALOR LATENTE DE FUSIÓN.

Cantidad de calor necesaria para convertir una sustancia de estado sólido a líquido a temperatura constante. EJERCICIO: ¿Cuánto calor se necesita para fundir 500 g de hielo a 0°C? Sabiendo que el calor latente de fusión del agua es de 334 J/g. Datos: Formula: Solución: m= 500g. Q= m*L. Q= (500 g)(334 J/g) L= 334 J/g. Q= 167,000 J. Q= ?

CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN.

Cantidad de calor necesaria para cambiar una sustancia líquida a la fase gaseosa a temperatura constante. EJERCICIO:

¿Cuánto calor se necesita para evaporar 200 g de agua a 100°C? Sabiendo que el calor latente de vaporización de agua es de 2260 J/g. Datos: Formula: Solución: m= 200g. Q= m*L Q= (200 g)(2,260 J/g). L= 2,260 J/g. Q= 452,000 J. Q= ?

ELECTROSTÁTICA.

La electrostática es una rama de la Física que estudia los efectos producidos en los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, o lo que es lo mismo, el comportamiento de las cargas eléctricas en situación de equilibrio. Dicha carga eléctrica es la responsable de los efectos electrostáticos (de atracción o de repulsión) que se generan entre los cuerpos que la poseen. Los primeros indicios del estudio de la electrostática se remontan a la época de los griegos antiguos, cuando el filósofo Tales de Mileto (624 a.C. – 546 a. C.) identificó comportamientos extraños a partir de la fricción del ámbar con tejidos como la lana, generando la atracción de objetos con electricidad estática.

CARGA ELÉCTRICA.

La carga eléctrica es una propiedad física fundamental de algunas partículas subatómicas, como electrones y protones. Esta propiedad hace que las partículas

experimenten una fuerza cuando están cerca de otras partículas cargadas. Existen dos tipos de cargas eléctricas: positiva y negativa.

Carga Positiva: Una carga positiva ocurre cuando un objeto pierde electrones. Las cargas positivas atraen a las cargas negativas.

Ejemplos: Los protones, que se encuentran en el núcleo de los átomos, tienen una carga positiva.

Propiedades: Las cargas positivas se repelen entre sí.

Carga Negativa: Una carga negativa ocurre cuando un objeto gana electrones. Las cargas negativas atraen a las cargas positivas.

Ejemplos: Los electrones, que giran alrededor del núcleo atómico, tienen una carga negativa. Propiedades: Las cargas negativas se repelen entre sí.

UNIDADES DE MEDIDA.

La carga eléctrica se representa por la letra q y su unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el coulomb cuyo símbolo es la letra C. Un coulomb es equivalente a la carga de 6.25 X10'8 electrones, lo cual la hace una unidad demasiado grande para las cantidades de carga que se presentan en muchas situaciones y fenómenos, que son del orden de milicoulomb (mC), microcoulomb (mC) y picocoulomb (pC).

EJERCICIO: En una tormenta eléctrica, un rayo transfiere una carga de 100 C de la nube a la superficie terrestre, ¿cuántos electrones se transfirieron de la nube a la Tierra? Solución Datos: 9 =-100C Se coloca un signo negativo por ser electrones. e = - 1.6 x 10-19 C Este es el valor redondeado de e a dos cifras. n = número de electrones.

Fórmula: 9 =ne Al sustituir los valores: - 100 C = n(-1.6 x 10-19 C) Despejando n 100 C n = 1.6 X 10-1 C n = 62.5 X 1019 electrones

LEY DE CARGAS ELÉCTRICAS.

La ley de cargas eléctricas dice que las cargas con el mismo signo se repelen, mientras que las cargas con diferente signo se atraen. Por lo tanto, si tenemos dos cargas positivas o dos cargas negativas, estas se repelen entre sí. Pero si tenemos una carga positiva y una carga negativa, estas se atraen entre sí. La atracción o repulsión de las cargas eléctricas es debido al signo de la fuerza eléctrica resultante. Cuando el signo de las dos cargas son iguales la fuerza eléctrica es positiva, por otro lado, cuando el signo de las cargas es distinto la fuerza eléctrica es negativa. Más abajo veremos cómo se calcula la fuerza eléctrica.

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA CARGA.

El principio de conservación de la carga es uno de los fundamentos esenciales en física. Según este principio, la cantidad total de carga eléctrica en un sistema aislado permanece constante con el tiempo, independientemente de las interacciones que ocurran entre las partículas dentro del sistema

LA CARGA ESTÁ CUANTIZADA.

En la física clásica, se creía que la carga eléctrica podía tomar cualquier valor. Sin embargo, en la física cuántica, se descubrió que la carga está cuantizada.

Esto significa que la carga eléctrica sólo puede existir en múltiplos enteros de una carga elemental. La carga elemental es la cantidad mínima de carga que puede existir

DIFERENTES FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO.

-CARGA POR FROTAMIENTO: el cuerpo menos conductor saca electrones de las capas exteriores de los átomos del otro cuerpo quedando cargado negativamente y el que pierde electrones queda cargado positivamente.

-CARGA POR CONTACTO: un cuerpo cargado se pone en contacto con otro, la carga eléctrica se distribuye entre los dos y, los dos quedan cargados con el mismo tipo de carga.

INDUCCIÓN (definición y aplicaciones).

La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra.

Benjamín Franklin fue el primero en demostrar este hecho a través de su famoso experimento del cometa, que le permitió comprobar que los rayos son un efecto eléctrico. Franklin descubrió también que la carga fluye con facilidad hacia o desde objetos puntiagudos y así se construyó el primer pararrayos.

Si acercamos un objeto con carga a una superficie conductora, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora.

Para explicarlo mejor podemos poner como ejemplo dos esferas metálicas aisladas A y B, las cuales no  tienen carga y se encuentran en contacto, de modo que forman en efecto un solo conductor sin carga. Posteriormente se acerca una barra con carga negativa a la esfera A. La barra repele los electrones del metal y el exceso de carga negativa se desplaza a la esfera contigua, con lo cual la primera esfera queda con exceso de carga positiva. La carga en ambas esferas ha sido redistribuida por lo que se dice que ha sido inducida en ellas. Como la barra con carga no toca las esferas, conserva su carga inicial.

CONDUCTORES Y AISLADORES.

Los materiales presentan distintos comportamientos ante el movimiento de cargas eléctricas.

Conductores:

Los elementos conductores tienen facilidad para permitir el movimiento de cargas y sus átomos se caracterizan por tener muchos electrones libres y aceptarlos o cederlos con facilidad, por lo tanto son materiales que conducen la electricidad.

Ejemplos de conductores son el cobre y el aluminio.  

Aisladores:

Los aisladores son materiales que presentan cierta dificultad al paso de la electricidad y al movimiento de cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o aceptar electrones. En una u otra medida todo material conduce la electricidad, pero los aisladores lo hacen con mucha mayor dificultad que los elementos conductores.

Ejemplos de aisladores son el plástico y la cerámica. 

LEY DE COULOMB.

La ley de Coulomb se emplea en el área de la física para calcular la fuerza eléctrica que actúa entre dos cargas en reposo.

A partir de esta ley se puede predecir cuál será la fuerza electrostática de atracción o repulsión existente entre dos partículas según su carga eléctrica y la distancia que existe entre ambas.

La ley de Coulomb debe su nombre al físico francés Charles-Augustin de Coulomb, quien en 1785 enunció esta ley:  “La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario”.

Esta ley constituye la base de la electrostática y se representa de la siguiente manera: 

F: fuerza eléctrica de atracción o repulsión en Newtons (N). Las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen.

k: es la constante de Coulomb o constante eléctrica de proporcionalidad. La fuerza varía según la permitividad eléctrica (ε) del medio, bien sea agua, aire, aceite, vacío, entre otros.

q: valor de las cargas eléctricas medidas en Coulomb (C).

r: distancia que separa a las cargas y que es medida en metros (m).

Cabe destacar que la permitividad eléctrica del vacío es constante, y una de las más empleadas. Se calcula de la siguiente manera: ε0 = 8,8541878176x10-12 C2/(N·m2). Es de suma importancia tener en cuenta la permitividad del material.

El valor de la constante de Coulomb en el Sistema Internacional de medidas es:

Esta ley sólo toma en cuenta la interacción entre dos cargas puntuales al mismo tiempo. Asimismo, sólo determina la fuerza que existe entre q1 y q2, sin considerar las cargas alrededor.

Coulomb logró determinar las propiedades de la fuerza electrostática al desarrollar como instrumento de estudio una balanza de torsión. Esta balanza consiste en una barra que colgaba sobre una fibra con la capacidad de torcerse y volver a su posición inicial.

De esta manera, Coulomb podía medir la fuerza que se ejercía sobre un punto de la barra al colocar varias esferas cargadas a diferentes distancias con el fin de medir la fuerza de atracción o repulsión según girara la barra.

EJERCICIO:

Tenemos dos cargas eléctricas, una de +3 C y una de -2 C, separadas a una distancia de 3 metros. Para calcular la fuerza que existe entre ambas cargas, es necesario multiplicar la constante K por el producto de ambas cargas. Como se observa en la imagen, se ha obtenido una fuerza negativa.

Ejemplo ilustrado de cómo aplicar la ley de Coulomb:

EJERCICIO:

Tenemos una carga de 6 x 10-6 C (q1) que se encuentra a 2 metros de distancia de una carga de 4 x 10-6 C (q2). Entonces, ¿cuál es la magnitud de fuerza entre estas dos cargas?

a. Se multiplican los coeficientes: 9 x 6 x 4= 216. El 9 corresponde al coeficiente de la constante de Coulomb, mientras que el 6 y el 4 corresponden al de las respectivas cargas eléctricas.

b. Se suman de manera algebraica los exponentes: 9 - 6 - 6 = 3. El 9 corresponde al exponente de la constante de Coulomb, mientras que -6 corresponde al de las cargas eléctricas.

Con ello, tenemos:

Respuesta: F = 54 x 10-3 N.

CAMPO ELÉCTRICO.

Un campo eléctrico es un campo físico o región del espacio que interactúa con cargas eléctricas o cuerpos cargados mediante una fuerza eléctrica. Su representación por medio de un modelo describe el modo en que distintos cuerpos y sistemas de naturaleza eléctrica interactúan con él.

Dicho en términos físicos, es un campo vectorial en el cual una carga eléctrica determinada (q) sufre los efectos de una fuerza eléctrica (F).

Estos campos eléctricos pueden ser consecuencia de la presencia de cargas eléctricas, o bien de campos magnéticos variables, como lo demostraron los experimentos de los científicos británicos Michel Faraday y James C. Maxwell.

Por esa razón, los campos eléctricos, en las perspectivas físicas contemporáneas, se consideran junto a los campos magnéticos para formar campos electromagnéticos.

Así, un campo eléctrico es esa región del espacio que se ha visto modificada por la presencia de una carga eléctrica. Si esta carga es positiva, genera líneas de campo eléctrico que «nacen» en la carga y se extienden hacia fuera con dirección radial. Si, por el contrario, la carga es negativa, las líneas de campo «mueren» en la carga. Si se acerca una carga a la región del espacio donde existe un campo eléctrico, ésta experimentará una fuerza eléctrica con una dirección y sentido.

Decimos que en una determinada región del espacio existe un campo eléctrico si al introducir una carga q' denominada carga testigo o carga de prueba sufre la acción de una fuerza eléctrica. Dicha carga siempre se considera positiva por convenio.

La intensidad del campo eléctrico o simplemente campo eléctrico en un punto es una magnitud vectorial que representa la fuerza eléctrica que actúa por unidad de carga testigo positiva, q', situada en dicho punto.

La unidad de intensidad del campo eléctrico en el Sistema Internacional (S.I) es el newton por coulombio (N/C).

INTENSIDAD DE UN CAMPO ELÉCTRICO CREADO POR UNA CARGA PUNTUAL.

Así, la intensidad del campo eléctrico, o llamada más comúnmente campo eléctrico (de forma simplificada), es un vector que tiene la misma dirección y sentido que la fuerza eléctrica que actúa sobre la carga testigo positiva. Además, su módulo se puede obtener mediante la siguiente expresión:

Tal y como hemos visto anteriormente, en el caso de que deseemos calcular la intensidad del campo eléctrico en un determinado punto creado por una única carga puntual q, deberemos introducir una carga testigo positiva q' en dicho punto. A partir de aquí podemos emplear la ley de Coulomb (para calcular la fuerza eléctrica que sufre q') y la definición de intensidad del campo en un punto:

EJERCICIO:

Si introducimos una carga eléctrica de 5×70-6 C en un campo eléctrico que actúa con una fuerza de 0,04 N, ¿con qué intensidad actúa dicho campo? 

Aplicando la fórmula E = F/q, tenemos que E = 0,04 N / 5×10-6 C = 8.000 N/C. La intensidad sería de 8,000 N/C.

INTENSIDAD DEL CAMPO CREADO POR VARIAS CARGAS PUNTUALES.

En el caso de que tengamos varias cargas puntuales y deseemos conocer la intensidad del campo eléctrico en un punto podemos hacer uso del principio de superposición:

El campo eléctrico que generan “n” cargas puntuales estáticas en un determinado punto del espacio es la suma vectorial de la intensidad de campo creada por cada una de las cargas en dicho punto.

EJERCICIO:

Dadas dos cargas q1=3 µC y q2= 6 µC separadas 2 m. ¿A qué distancia de q2 se encuentra el punto del segmento que une q1 y q2 en el que se anulan los campos eléctricos de ambas cargas?

Datos:

 q1=3 µC = 3·10-6 C

 q2= 6 µC = 6·10-6 C

 d = 2 m

Sustituimos valores:

ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA.

El cambio en la energía potencial, almacenada en q es igual al trabajo que se necesita para llevar q de A a B.

Diferencia en la energía potencial eléctrica.

Como el trabajo, la energía potencial eléctrica es una cantidad escalar.

Ahora hacemos una pequeña manipulación de esta expresión y algo muy especial sucede. Esta línea de razonamiento es similar a nuestro desarrollo del campo eléctrico.

Multiplica los términos:

Etiqueta cada término con un nombre para que podamos hablar de ellos por un segundo. Sea:

ENERGÍA POTENCIAL DE UN SISTEMA DE DOS PARTÍCULAS:

Si disponemos de dos cargas Q y q, el trabajo para aproximar q desde el infinito hasta un punto A próximo a Q se puede obtener aplicando la definición de trabajo entre dos puntos:

donde: Ep= energía potencial eléctrica. En el S.I. se mide en Julios (J). Q y q= valores de las dos cargas puntuales. En el S.I. se miden en Culombios (C). r= valor de la distancia que las separa. En el S.I. se mide en metros (m). K= es la constante de la ley de Coulomb. Para el vacío su valor es aproximadamente 9·109 N·m2/C2 utilizando unidades en el S.I.

Como ya hablamos en el apartado de trabajo eléctrico, este es el trabajo que realizan las fuerzas eléctricas y no debemos confundirlo con el trabajo que puede realizar una fuerza externa en contra de las fuerzas eléctricas para intentar aproximar dos cuerpos cargados con el mismo signo (que apriori intentarán separarse) o alejar dos cuerpos cargados con distinto signo (que apriori intentarán unirse). El trabajo que realiza dicha fuerza (Wf) se relaciona con el trabajo eléctrico (We) y la energía potencial eléctrica de la siguiente forma:

VOLTAJE.

El voltaje es la magnitud responsable de crear la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, se refiere al trabajo realizado por una unidad de carga eléctrica cuando se desplaza a través de dos puntos en un campo eléctrico específico. La medición del voltaje se realiza empleando una herramienta de medición conocida como voltímetro. Este dispositivo se conecta en paralelo con la fuente de energía cuyo potencial eléctrico se desea obtener. Su unidad de medida es el voltio. Cuando se enuncia en forma explícita, significa que tensión = corriente x resistencia, o voltios = amperios x ohmios, o V = A x Ω.

Voltaje inducido: fuerza que se induce para generar la energía eléctrica que recorrerá un circuito. Voltaje alterno: es el más común en las tomas de corriente. Los valores están alternados, su frecuencia varía en función del país donde se ubique. Voltaje de corriente directa: habitual en motores y baterías. Se obtiene al transformar una corriente alterna en una continua. Voltaje continuo: habitual en chips y microprocesadores. Son corrientes que no presentan alteraciones, el voltaje es constante. EJERCICIO: Determinar la corriente resultante de una batería de 12V a un circuito con resistencia de 2, 2.

ELECTRODINÁMICA.

La electrodinámica estudia fenómenos vinculados a la electricidad en movimiento. La electrodinámica es la disciplina que se dedica a analizar los fenómenos que genera la electricidad cuando está en movimiento. Estos estudios se orientan a la interacción de campos magnéticos y eléctricos con cargas que se desplazan. Antes de avanzar, cabe recordar que la electricidad es una fuerza que surge por la presencia de protones y electrones y se origina a partir del rechazo o la atracción entre partículas cargadas.

CORRIENTE ELÉCTRICA:

Corrientes eléctricas en movimiento, cuando se unen mediante un conductor dos regiones que tienen diferente potencial eléctrico, las cargas eléctricas se mueven a través de dicho conductor y la corriente eléctrica queda establecida. La corriente consiste en el movimiento de iones positivos en un sentido y de iones negativos en el sentido opuesto. Una corriente eléctrica es decir por convención, el sentido de una corriente eléctrica es el sentido en que se mueven ( o moverían) las cargas eléctricas positivas. Ejemplos:

• Electrodomésticos: Los electrodomésticos como refrigeradores, hornos y lavadoras funcionan gracias a la corriente eléctrica.
• Carga de dispositivos electrónicos: Los cargadores de teléfonos móviles y computadoras portátiles utilizan corriente eléctrica para cargar las baterías.
• Transporte eléctrico: Vehículos eléctricos como automóviles, bicicletas y scooters utilizan corriente eléctrica para propulsarse.
• Sistemas de comunicación: Teléfonos, computadoras y televisores transmiten y reciben señales mediante corriente eléctrica.

EJERCICIOS: Por la sección transversal de un alambre pasan 10 coulombios en 4 s. Calcular la intensidad de la corriente eléctrica.

q = 10 coulombios           t = 4 seg.          i = ?

En los extremos de un conductor hay una diferencia de potencial de 20 voltios cuando lo atraviesa una corriente de 4 amp. Calcular su resistencia.

V = 20 Voltios        i = 4 amp.      R = ?

TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA:

• Corriente de conducción. Movimiento de cargas eléctricas libres (positivas o negativas).
• Corriente de convección. Movimiento de cuerpos cargados eléctricamente.
• Corriente de polarización. Movimiento de cargas eléctricas que se produce durante el periodo de polarización.

CORRIENTE CONTINUA.

Las cargas eléctricas fluyen siempre en el mismo sentido.

La gráfica que representa a una corriente eléctrica continua y constante.

CORRIENTE ALTERNA.

Las cargas eléctricas se desplazan primero en un sentido y luego en el sentido opuesto, a través del circuito. La corriente alterna se representa por la gráfica.

EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA.

• Efecto térmico, la temperatura del medio (conductor) se eleva comunicando calor a sus alrededores.
• Efecto magnético, el medio (conductor) se rodea de un campo magnético que puede afectar a otras corrientes.
• Efecto químico, al atravesar ciertas sustancias, la corriente eléctrica las descompone químicamente.
• Efecto luminoso, la corriente puede hacer que un material emite luz.

INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA.

Se designa por I; es la cantidad de cargas eléctricas que pasa por el área transversal del conductor en la unidad de tiempo. Fórmula: F=I=q/t I= intensidad de corriente eléctrica q=carga eléctrica t=tiempo Si la sección transversal de un conductor existe una corriente eléctrica IA significa que por dicha sección está circulando una carga eléctrica de 1C en cada lapso de 1s. 1A=1C/1s

APOYO.

• https://youtu.be/v-dIyUF9ALM?si=JR9tIJl9u5T32pAp
• https://youtu.be/GFU2vSpMBjw?si=YkUCUMjUnyVQmNAo

CIRCUITO ELÉCTRICO (ELEMENTOS).

Fuente de alimentación.

Es el componente esencial en cada sistema eléctrico o electrónico. Su función es convertir la tensión alterna en una tensión continua y lo más estable posible. 

Transformador de entrada.

Convierte la tensión de la red eléctrica en una tensión adecuada para el circuito.

Rectificador a diodos.

Transforma la corriente alterna en corriente continua.

Filtro para el rizado.

Suaviza la corriente continua eliminando fluctuaciones no deseadas.

Regulador (o estabilizador) lineal.

Asegura que la tensión de salida sea constante.

GENERADORES.

Los generadores en un circuito eléctrico son dispositivos que convierten otras formas de energía en energía eléctrica. Generalmente, la energía se produce mediante la inducción electromagnética, donde un conductor se mueve a través de un campo magnético o un campo magnético cambia dentro de un conductor, lo que genera corriente eléctrica. Aquí tienes una descripción de algunos tipos comunes de generadores:

Generadores de corriente continua (DC):

Estos generadores producen corriente eléctrica que fluye siempre en la misma dirección. Funcionan con un conmutador mecánico o conmutadores electrónicos para cambiar la dirección de la corriente en el circuito externo. Los generadores de corriente continua se utilizan en aplicaciones donde se requiere una corriente eléctrica constante en una sola dirección, como en baterías y sistemas de carga.

Generadores de corriente alterna (AC): 

Estos generadores producen corriente eléctrica que cambia de dirección periódicamente. La corriente alterna es la forma de electricidad más comúnmente utilizada en aplicaciones de energía eléctrica, como en la mayoría de los hogares y en la transmisión de energía eléctrica a larga distancia. Los generadores de corriente alterna pueden ser de diferentes tipos, como generadores síncronos, generadores asíncronos (o de inducción) y generadores de imanes permanentes.

Generadores de turbina de vapor:

Estos generadores utilizan vapor de agua para hacer girar una turbina, que a su vez hace girar un generador para producir electricidad. Se utilizan comúnmente en plantas de energía eléctrica que queman combustibles fósiles, como carbón, gas natural o petróleo, así como en plantas de energía nuclear y algunas plantas de energía renovable, como las plantas de biomasa.

Generadores de energía eólica: 

Estos generadores utilizan la energía cinética del viento para hacer girar las aspas de un rotor, que a su vez hace girar un generador para producir electricidad. Son una forma de generación de energía renovable y se utilizan cada vez más en parques eólicos tanto en tierra como en el mar.

Generadores de energía hidroeléctrica: 

Estos generadores utilizan la energía cinética del agua en movimiento (como la de los ríos o presas) para hacer girar una turbina, que a su vez hace girar un generador para producir electricidad. La energía hidroeléctrica es una de las formas más antiguas y comunes de generación de energía renovable.

CONDUCTORES.

Los conductores en un circuito eléctrico son materiales que permiten que la corriente eléctrica fluya a través de ellos. Se utilizan para conectar diferentes componentes del circuito y transportar la electricidad desde la fuente de alimentación hasta los receptores o dispositivos que realizan alguna función. Aquí tienes información sobre los conductores más comunes:

Cables eléctricos: 

Son los conductores más utilizados en los circuitos eléctricos. Consisten en un núcleo conductor hecho de cobre o aluminio rodeado por un aislante para proporcionar protección y seguridad. Los cables eléctricos vienen en una variedad de tamaños y tipos, dependiendo de la aplicación y las necesidades de corriente eléctrica.

Cables de cobre: 

El cobre es uno de los materiales conductores más comunes en la industria eléctrica debido a su alta conductividad eléctrica y su capacidad para formar cables flexibles y duraderos.

Cables de aluminio: 

Aunque menos comunes que los cables de cobre, los cables de aluminio también se utilizan en aplicaciones eléctricas. Tienen una conductividad ligeramente menor que el cobre, pero son más ligeros y menos costosos.

RECEPTORES.

Los receptores en un circuito eléctrico son dispositivos que convierten la energía eléctrica en otra forma de energía útil, como luz, movimiento, calor, sonido, etc. Estos dispositivos son los que aprovechan la electricidad para realizar una función específica. Aquí tienes algunos ejemplos comunes de receptores en un circuito eléctrico:

Bombillas (lámparas): 

Son dispositivos que convierten la energía eléctrica en luz visible. Las bombillas vienen en una variedad de tipos, incluye incandescentes, fluorescentes, LED, etc.

Motores eléctricos: 

Son dispositivos que convierten la energía eléctrica en movimiento mecánico. Se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde electrodomésticos hasta maquinaria industrial.

Calentadores eléctricos: 

Son dispositivos que convierten la energía eléctrica en calor. Se utilizan para calentar espacios, agua, alimentos, etc.

ELEMENTOS DE PROTECCIÓN:

Los elementos de protección en un circuito eléctrico son dispositivos diseñados para salvaguardar tanto el equipo eléctrico como a las personas que interactúan con él. Aquí hay algunos elementos comunes de protección en un circuito eléctrico:

Interruptores de circuito (breakers): 

Son dispositivos automáticos de protección que cortan el suministro eléctrico cuando detectan una corriente excesiva, evitando así daños en el circuito y posibles riesgos de incendio o electrocución.

Fusibles: 

Funcionan de manera similar a los interruptores de circuito, pero en lugar de abrir o cerrar un contacto, el fusible se funde cuando hay una corriente excesiva, interrumpiendo el flujo de electricidad y protegiendo el circuito.

Relés térmicos: 

Son dispositivos de protección contra sobrecargas que se activan cuando la corriente eléctrica supera un valor predeterminado durante un tiempo prolongado. Funcionan abriendo el circuito eléctrico cuando detectan una sobrecarga continua, evitando así el sobrecalentamiento de los conductores y el equipo.

Diferenciales (interruptores de falla a tierra): 

Detectan corrientes de fuga hacia tierra, como las que ocurren cuando una persona entra en contacto con un conductor eléctrico. Cortan el suministro eléctrico rápidamente para prevenir descargas eléctricas y proteger a las personas.

ELEMENTOS DE CONTROL.

Los elementos de control en un circuito eléctrico son componentes diseñados para regular, supervisar o dirigir el flujo de corriente eléctrica. Aquí hay algunos elementos comunes de control en un circuito eléctrico:

Interruptores: 

Son dispositivos que abren o cierran un circuito eléctrico, permitiendo o interrumpiendo el flujo de corriente eléctrica. Pueden ser manuales o automáticos.

Controles de velocidad: 

En circuitos que alimentan motores eléctricos, los controles de velocidad regulan la velocidad de rotación del motor ajustando la cantidad de corriente eléctrica suministrada.

Relés de control: 

Son dispositivos electromagnéticos que controlan la operación de otros dispositivos eléctricos en el circuito. Los relés pueden ser utilizados para activar o desactivar circuitos, cambiar la dirección de la corriente, entre otras funciones.

Temporizadores: 

Controlan la duración de una operación eléctrica, permitiendo que ciertas acciones ocurran durante un período de tiempo específico antes de activar o desactivar un dispositivo.

Interruptores de proximidad: 

Son dispositivos que detectan la presencia o ausencia de objetos metálicos cercanos y activan o desactivan circuitos en consecuencia. Se utilizan comúnmente en aplicaciones de automatización industrial.

Controladores lógicos programables (PLC): 

Son dispositivos electrónicos programables utilizados para controlar procesos industriales y máquinas automatizadas. Los PLCs pueden realizar diversas funciones de control, como la secuenciación, el conteo, la temporización, entre otras.

Termostatos: 

Controlan la temperatura en un sistema eléctrico, activando o desactivando dispositivos de calefacción o refrigeración según sea necesario para mantener una temperatura específica.

CIRCUITO SIMPLE.

Un circuito eléctrico consiste en cierto número de ramas unidas entre sí, de modo que al menos una de ellas cierre la trayectoria que se proporciona a la corriente. 

El circuito más sencillo consta de una sola fuente de fem unida a una sola resistencia. Si  representa la fem y R indica la resistencia total, la ley de ohm queda de la siguiente manera:  = IR 

Donde I es la corriente que circula por el circuito.

Toda la energía que se gana mediante una carga que pasa a través de la fuente de fem se pierde debido al flujo a través de la resistencia. Si se considera la adición de ciertos elementos al circuito, se dice que dos o más elementos están en serie si tienen un solo punto en común que no está conectado a un tercer elemento.

Para aplicar la ley de ohm de forma adecuada en un circuito con dos o más resistencias conectadas en serie es necesario calcular una resistencia equivalente, para esto se debe sumar el valor de cada una de las resistencias individuales

Fórmulas: 

Las fórmulas más básicas que se utilizan en un circuito simple son las leyes de Ohm, que relacionan la corriente eléctrica (I), el voltaje (V) y la resistencia (R) en un circuito:

Ley de Ohm:

V = I * R

Donde:

V es el voltaje en voltios (V), I es la corriente en amperios (A) y R es la resistencia en ohmios (Ω).

Ley de Ohm para la resistencia: 

R = V / I

Esta fórmula se puede utilizar para calcular la resistencia en un circuito dado un voltaje y una corriente.

Ley de Ohm para la corriente:

I = V / R

Esta fórmula se puede utilizar para calcular la corriente en un circuito dado un voltaje y una resistencia.

CIRCUITO EN SERIE.

Se llama circuito en serie a un tipo de circuito eléctrico provisto de un único camino para la corriente, que debe alcanzar a todos los bornes o terminales conectados en la red de manera sucesiva, es decir uno detrás de otro, conectando sus puntos de salida con el de entrada del siguiente.

Fórmulas:

Resistencia equivalente: Req=R1+R2+R3...+Rn

Re =  es la resistencia total del circuito.

R1+R2+R3...+Rn = son las resistencias individuales de cada componente en serie.

Intensidad total: IT=I1=I2=I3...=In

IT = es la corriente total del circuito.

I1=I2=I3...=In = son las corrientes que pasan a través de cada componente en serie.

Voltaje final: Vf=V1+V2+V3...+Vn

Vf =  es el voltaje total suministrado al circuito.

V1+V2+V3...+Vn =   son los voltajes a través de cada componente en serie.

EJERCICIOS.

1)Tenemos tres resistencias en serie: R1 = 10 ohmios, R2 = 20 ohmios y R3 = 30 ohmios. Calcula la resistencia total del circuito.

Para resolver este ejercicio, sumamos las resistencias en serie: RT = R1 + R2 + R3 = 10 + 20 + 30 = 60 ohmios.

1)En un circuito en serie, la corriente es la misma en todos los componentes. Si tenemos una corriente de 2 amperios y una resistencia de 5 ohmios, ¿cuál es la caída de voltaje en el circuito?

Utilizando la ley de Ohm (V = I * R), podemos calcular la caída de voltaje: V = 2 * 5 = 10 voltios.

APOYO.

•  https://youtu.be/xGfa28dja10?feature=shared
• https://youtu.be/jfqe3gld9ec?feature=shared
• https://youtu.be/5_4eQqBJSB8?feature=shared

CIRCUITO EN PARALELO.

Cuando hablamos de un circuito en paralelo o una conexión en paralelo, nos referimos a una conexión de dispositivos eléctricos (como bobinas, generadores, resistencias, condensadores, etc.) colocados de manera tal que tanto los terminales de entrada o bornes de cada uno, como sus terminales de salida, coincidan entre sí.

FORMULAS.

ΔVT= Voltaje total

ΔVrx= Voltajes 1, 2, 3 ... 

IT= Corriente total

Irx= Resistencia 1, 2, 3 …

RT= Resistencia total

Rx= Resistencia 1, 2, 3 ...

EJERCICIO.

Encontrar la corriente que circula por el circuito mostrado, suponiendo que se tiene una fuente de 12V.

Solución:

Este ejemplo se puede resolver de dos formas, calculando la corriente que circula por cada resistencia y sumándole, o calculando la resistencia equivalente y obtener la corriente total. Se procederá a resolverlo por los dos métodos para demostrar que se obtienen los mismos resultados.

Método 1: calculando corrientes individuales.

Paso 1: En un circuito paralelo el voltaje se mantiene constante entre cada división o rama, por lo que a partir del voltaje y resistencia se puede calcular la corriente que circula por cada rama mediante la ley de ohm.

Paso 2: Puesto que la corriente total es la suma de las corrientes individuales obtenemos la corriente que circula en el circuito: 

Método 2: calculando la resistencia total.

Paso 1: Utilizando la suma de recíprocos calculamos la resistencia total.

Paso 2: Ahora utilizando la ley de Ohm calculamos la corriente total.

Como podemos observar de los dos métodos llegamos al mismo resultado.

APOYO.

• https://youtu.be/EMTyhr9ntuQ?feature=shared
• https://youtu.be/UQqSrMOpC-c?feature=shared
• https://youtu.be/UQqSrMOpC-c?feature=shared

LEY DE OHM.

La Ley de Ohm describe la relación entre corriente, tensión y resistencia en un circuito eléctrico. Fue descubierta en 1827 por un físico alemán llamado Georg Simon Ohm.

Ohm realizó experimentos y descubrió que la cantidad de corriente (I) que circula por un conductor depende de dos factores: la tensión (V) aplicada al conductor y la resistencia (R) del conductor.

Se dio cuenta de que la tensión a través de un conductor es directamente proporcional a la corriente que fluye a través de él, para cualquier resistencia dada.

Esta relación puede expresarse mediante la ecuación:

V = I x R

Por lo tanto, la Ley de Ohm establece:

La tensión (V) es igual a la corriente (I) multiplicada por la resistencia (R).

O dicho de otro modo:

Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será la tensión necesaria para impulsar la misma corriente a través del conductor.

Gracias al descubrimiento de Ohm podemos explicar el comportamiento de los circuitos eléctricos.

UNIDADES DE MEDIDA.

MAGNITUDES ELÉCTRICAS.

Como has visto en la tabla anterior, las tres magnitudes eléctricas son:

Resistencia: Es la oposición al paso de la corriente eléctrica. Su unidad es el Ohmio (Ω).

Intensidad de corriente: O la cantidad de electrones que circulan por un conductor por unidad de tiempo. Se mide en Amperios (A).

Tensión o voltaje (o diferencia de potencial): Es la fuerza que hace que los electrones se muevan. Esta fuerza es debida a la diferencia de energía eléctrica entre dos puntos (polo positivo y polo negativo). Se mide en Voltios (V).

Gracias a la relación de esta ley podemos calcular las magnitudes en distintos tipos de circuitos eléctricos.

Fórmulas:

EJERCICIO.

Calcula la intensidad de la corriente que alimenta a una lavadora de juguete que tiene una resistencia de 10 ohmios y funciona con una batería con una diferencia de potencial de 30 V.

APOYO.

• https://youtu.be/loiitLe61nc?feature=shared
• https://youtu.be/MIJiPhtpAF8?feature=shared
• https://youtu.be/VEzDdpZ3SqU?feature=shared

POTENCIAL ELÉCTRICO.

Es la cantidad de energía eléctrica que se transfiere o consume por unidad de tiempo en un circuito eléctrico. Se mide en vatios (W), que es una unidad que representa un julio por segundo.

Matemáticamente, se puede calcular de varias maneras dependiendo de los valores conocidos del circuito:

1. Usando voltaje y corriente:

 P = V • I 

donde ( V ) es el voltaje (en voltios) y ( I ) es la corriente (en amperios).

2. Usando la ley de Ohm y la resistencia:

 P = I^2 • R 

donde  R  es la resistencia (en ohmios).

3. Usando el voltaje y la resistencia:

 P = V^2/R

Uso en la vida cotidiana:

La potencia eléctrica tiene múltiples aplicaciones en la vida cotidiana. Aquí hay algunos ejemplos comunes:

1. Electrodomésticos: La mayoría de los electrodomésticos, como refrigeradores, microondas, lavadoras y secadoras, tienen una potencia nominal que indica cuánta energía consumen. Por ejemplo, una lavadora puede tener una potencia de 500 W, lo que significa que consume 500 vatios mientras está en funcionamiento.
2. Iluminación: Las bombillas de luz están etiquetadas con su potencia, que generalmente varía desde 5 W para bombillas LED hasta 100 W o más para bombillas incandescentes. Esta etiqueta ayuda a los consumidores a entender cuánta electricidad usará la bombilla y qué tan brillante será.
3. Dispositivos electrónicos:Teléfonos móviles, computadoras, televisores y otros dispositivos electrónicos tienen especificaciones de potencia. Por ejemplo, una computadora portátil puede tener una potencia de 65 W, indicando cuánta energía utiliza cuando está cargando.
4. Sistemas de calefacción y refrigeración:Calentadores eléctricos, aires acondicionados y calentadores de agua tienen potencias elevadas debido a la cantidad significativa de energía que consumen. Un aire acondicionado puede tener una potencia de 2000 W (2 kW), indicando su consumo de energía.
5. Herramientas eléctricas:Taladros, sierras y otras herramientas eléctricas también especifican su potencia. Por ejemplo, un taladro puede tener una potencia de 600 W, lo que le permite realizar trabajos más intensos.
6. Transporte eléctrico:Vehículos eléctricos, como coches y bicicletas eléctricas, también tienen especificaciones de potencia que indican la energía necesaria para su funcionamiento. Un coche eléctrico podría tener una potencia de varios kilovatios (kW).
7. Cocina:Aparatos de cocina como tostadoras, cafeteras y licuadoras tienen especificaciones de potencia que ayudan a los usuarios a entender su consumo de energía y eficiencia. Una tostadora puede tener una potencia de 800 W, indicando su consumo mientras está en uso.

Conocer la potencia eléctrica de estos dispositivos es útil para gestionar el consumo de energía, elegir la capacidad adecuada de los sistemas eléctricos en el hogar y calcular el costo de la electricidad utilizada.

EJERCICIO.

Supongamos que tienes una bombilla que funciona con un voltaje de 120 voltios y consume una corriente de 0.5 amperios.

Queremos calcular la potencia eléctrica que consume la bombilla.

Usamos la fórmula de potencia eléctrica:

P = V. I

Sustituimos los valores conocidos:

P = 120 V × 0.5 A

P = 60W

Entonces, la bombilla consume 60 vatios de potencia eléctrica. Esto significa que, cada segundo, la bombilla utiliza 60 julios de energía eléctrica para funcionar.

APOYO.

• https://youtu.be/Iq6nsdSsIME?si=0TyVy37lN2tBDdQn

BIBLIOGRAFÍAS:

Material proporcionado por docente.