MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME

Se llama movimiento circular uniforme al que describe una partícula material al girar alrededor de un punto, variando constantemente su dirección y su sentido pero recorriendo arcos iguales en tiempos iguales.

Dicho de otro modo, es el movimiento de un cuerpo que, girando uniformemente alrededor de un eje, describe una circunferencia.

Ejemplos

• El movimiento de los puntos situados en las manecillas de un reloj

• en las aspas de un helicóptero

  

• en el plato de un tocadiscos.

TIPOS DE MOVIMIENTOS

Según como sea la trayectoria descrita por un móvil, algunos movimientos se clasifican:
Absoluto:
Es el de un cuerpo respecto a a unos ejes fijos de referencia. 

Acelerado:
Aquél cuya velocidad no es constante. El movimiento es uniformemente acelerado cuando la aceleración es constante; cuando ésta es negativa se llama uniformemente retardado.

Armónico:
El de un punto P que recorre periódicamente un segmento y ésta constantemente atraído hacia el punto medio O de dicho segmento con una fuerza proporcional a la distancia OP=x.

Circular
Es el de un móvil que recorre una circunferencia

Continuo o perpetuo
Sería el sistema que pudiese producir trabajo continuamente sin absortan energía exterior; evidentemente este sistema, por los principios 1 y 2 de la termodinámica, es imposible de realizar.

Curvilíneos
Se denomina así a los movimientos cuya trayectoria es una línea curva. A su vez, se subdividen en:

• Circular cuando su trayectoria es una circunferencia Por ejemplo, los extremos de las aspas de los molinos cuando los mueve eI viento.
• Parabólico cuando su trayectoria es una curva parabólica. Por ejemplo, el movimiento de la pelota de golf al ser golpeada por el palo
• Elíptico cuando forman una curva elíptica en su trayectoria. Por ejemplo, el descrito por el movimiento de la Tierra al girar alrededor del sol.
  

Ondulatorio
El de un cuerpo que se mueve alternativamente hacia una y otra parte de su primitiva posición fija. 

Pendular
El oscilatorio de los péndulos.

el cual se encuentran dos clases de péndulos:

el péndulo ideal o péndulo simple:

péndulo esférico:

Periódico
El que se produce idénticamente a intervalos de tiempo iguales.

Rectilíneo
Son aquellos en los que la trayectoria se puede representar por una sucesión de puntos en línea recta. Por ejemplo, la piedra que cae verticalmente o el descenso de un paracaídas es vertical, en un  día de calma y sin viento. 

De rotación
El de un cuerpo cuyos puntos describe un movimiento circular  en torno a un eje fijo perpendicular a las trayectorias de todos los puntos. 

No siempre la velocidad es constante ya que, al ser una magnitud vectorial,  la velocidad permanece constante durante todo el movimiento pero la dirección está cambiando constantemente, siendo en todo momento tangente a la trayectoria circular. Esto implica la presencia de una aceleración que, si bien en este caso no varía al módulo de la velocidad, si varía su dirección. (tomado de http://toledano.org)

De translación
El de un cuerpo cuando todas sus partículas siguen una dirección constante.

la traslación es un movimiento en el cual se modifica la posición de un objeto, en contraposición a una rotación. (Wikipedia)

MAQUINAS TÉRMICAS

Máquinas térmicas

Las máquinas térmicas son aparatos que se utilizan para transformar la energía calorífica en trabajo mecánico.

Existen tres clases:

1.- Máquinas de vapor.
2.- Motores de combustión interna.
3.- Motores de reacción.

Independientemente de la clase de máquina térmica de que se trate, su funcionamiento básico consiste en la dilatación de un gas caliente, el cual al realizar un trabajo se enfría.

1.- Máquinas de Vapor

Cuando el agua se transforma en vapor, se expande ocupando un volumen 1700 veces mayor que en su estado líquido. Las máquinas de vapor emplean la enorme energía producida por esta expansión para generar un trabajo. máquina de vapor es de combustión externa si se quema fuera de ella, calentando la caldera productora del vapor que la alimenta.

2.- Motor de combustión interna

Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una

cámara de combustión, la parte principal de un motor. 

Se utilizan motores de combustión interna de cuatro tipos:

El motor cíclico Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica.

El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de electricidad, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y algunos automóviles. Tanto los motores Otto como los diesel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos.

También se les conoce motores de combustión pesada o de aceites pesados, se caracterizan porque no tienen sistema de encendido ni carburador.

El motor rotatorio o Wankel, en honor a su creador el Dr. Felix Wankel, funciona de una manera completamente diferente de los motores convencionales.

En un motor alternativo, el mismo volumen (cilindro) efectúa sucesivamente 4 diferentes trabajos - admisión, compresión, combustión y escape. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque; es decir, viene a ser como tener un cilindro dedicado a cada uno de los tiempos, con el pistón moviéndose continuamente de uno a otro

Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones.

3.- Motores de Reacción

Los motores de reacción se basan en el principio de la acción y reacción. Existen dos tipos principales de motores a reacción: los turborreactores y los cohetes.

Los turborreactores constan de un generador de gases muy calientes y de una tobera que los expele hacia atrás en forma de chorro (acción), así impulsa al motor y al móvil en el cuál se encuentra instalado hacia adelante (reacción).

El motor del cohete no necesita del aire atmosférico para funcionar, puinterior las sustancias químicas para la combustión. Los gases c alientes producidos en la cámara de combustión son expelidos con gran fuerza hacia atrás (acción), de esta manera impulsan a la nave hacia delante (reacción).

Eficiencia de una máquina térmica

La eficiencia de una máquina térmica jamás será de un 100%, pues de acuerdo a la Segunda Ley de la Termodinámica es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le suministra.

La eficiencia o rendimiento de una máquina térmica es la relación entre el trabajo mecánico producido y la cantidad de calor suministrada.

Matemáticamente se expresa:

Donde:

η = eficiencia de máquina térmica

T = trabajo neto producido por la máquina en calorías (cal) o joules (J).

Q = calor suministrado a la máquina por el combustible en calorías (cal) o joules (J).

Como tenemos:  tenemos: 

La eficiencia también puede ser calculada en función de la relación existente entre la temperatura de la fuente caliente (T1) y la temperatura de la fuente fría (T2), ambas medidas en temperaturas absolutas, es decir, en Kelvin, donde:

 también conocida como la eficiencia térmica de un motor de carnot.

sistemas termodinámicos

 Termodinámica

La Termodinámica, es la rama de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos, es decir, la transformación del calor en trabajo y viceversa. Su estudio se inició en el siglo XVIII y sus principios se fundamentan en fenómenos comprobados experimentalmente.

Sistema termodinámico

Es alguna porción de materia que separamos del resto del Universo por medio de un límite o frontera con el propósito de poder estudiarlo.

Paredes diatérmicas y adiabáticas

La frontera de un sistema puede estar constituida con paredes diatérmicas o con paredes adiabáticas.

Una pared diatérmica es aquella que permite la interacción térmica del sistema con los alrededores.

Los metales son materiales que constituyen excelentes paredes diatérmicas.

Una pared adiabática no permite que exista interacción térmica del sistema con los alrededores.

Los aislantes térmicos a nivel comercial son ejemplos excelentes de materiales con esta propiedad, como la madera, el asbesto etc.

Al calentar agua en un matraz utilizando una flama, observamos que con el tiempo, el agua entrará en ebullición, pues nuestro sistema (el agua), interacciona térmicamente con los alrededores (la flama y el medio), ya que el matraz hecho de vidrio actúa como pared diatérmica. Pero si en lugar de calentar el agua en un matraz lo hacemos en un termo constituido por un recipiente de doble pared y con vacío intermedio, observaremos que no se calentará porque ahora la pared es adiabática y no permite la interacción térmica entre la flama y el sistema.

En virtud de la naturaleza de las paredes, los sistemas termodinámicos se pueden clasificar en:

Sistema cerrado: Tiene paredes impermeables al paso de la materia; en otras palabras, el sistema no puede intercambiar materia con sus alrededores, y su masa permanece constante.
Sistema abierto: Puede existir intercambio de materia o de alguna forma de energía con sus alrededores.
Sistema aislado: No puede tener absolutamente ninguna interacción con sus alrededores; la pared resulta impermeable a la materia y a cualquier forma de energía mecánica o no mecánica.

Energía interna

La energía interna de un sistema se define como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas individuales que lo constituyen. Al suministrar calor a un sistema, se provoca un aumento en la energía de agitación de sus moléculas, se produce un incremento en la energía interna del sistema y por consiguiente un aumento en la temperatura.

En general, cuanto mayor sea la temperatura de un sistema, mayor será su energía interna. Sin embargo, los valores absolutos de ésta en las moléculas no se pueden precisar, motivo por el cual sólo se determina la variación que sufre la energía del sistema mediante la expresión:

Ui-Uf=ΔU

Donde:

=ΔU variación de la energía interna expresada en joules (J)

=Ufenergía interna final medida en joules (J)

=Uienergía interna inicial expresada en joules (J)

procesos termodinamicos

procesos termodinámicos.

Objetivo:

ü  Comprender la primera ley de la termodinámica como una correspondencia del principio de  conservación de la energía.

ü  Comprender los procesos termodinámicos e  identificarlos a partir de la interpretación de gráficos.

Temas

1.    Primera ley de la termodinámica.

2.    Trabajo en los gases.

3.    Procesos termodinámicos

3.1.        Proceso  adiabático

3.2.        Proceso isotérmico

3.3.        Proceso isométrico

3.4.        Proceso isobárico.

Espacio de conceptualización

Primera ley de la termodinámica.

La primera ley de la termodinámica establece que,  cuando se añade calor Q a un sistema mientras éste  efectúa trabajo W, la energía interna U cambia en una cantidad igual a Q – W.  

La primera ley de termodinámica es la misma ley del principio de conservación de la energía, la cual exige que para todo sistema termodinámico se cumpla:

∆U = Q-W

Siendo ∆U la energía interna del sistema.

Trabajo en los gases.

Se considera un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, sobre el  cual actúa la presión atmosférica P, cuando la temperatura del gas aumenta, el gas se expande a presión constante, cuando el gas se expande ejerce una fuerza F sobre el pistón y le produce un incremento en su volumen ∆V, de tal modo que el trabajo realizado por el gas sobre el pistón está dado por:

W = P*∆V

Procesos  termodinámicos.

Proceso adiabático.

Se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema  (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico.

El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de una llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar de que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.

Durante un proceso adiabático, la energía interna del fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer.

Es decir, que en este tipo de procesos se tiene que Q = 0. Que de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos que:

Q= ∆U +W

Como Q =0, entonces,                 ∆U = -W.

Esto quiere decir, que para un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, cuyas paredes no permiten la transferencia de calor al exterior, la variación de energía interna es igual al trabajo, ya sea realizado por el sistema o sobre el sistema.

Proceso isotérmico.

En este proceso la temperatura permanece constante. Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como isotérmica.

De acuerdo  con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q = ∆U +W.

Como ∆U = 0, entonces,             Q = W

 Este proceso se observa cuando en un pistón  que contiene un gas, después de suministrarle calor y producir cambios tanto en la presión como en el volumen su temperatura permanece constante.

Proceso isobárico.

Es un proceso termodinámico en el cual la presión permanece constante, en este proceso, como la presión se mantiene constante, se produce una variación en el volumen y por tanto el sistema realiza trabajo o se puede realizar trabajo sobre el sistema.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos:

 Q = ∆U +W

Lo que quiere decir que en un proceso de tipo isobárico tanto el calor transferido como el trabajo realizado ocasionan una variación de la energía interna.

Proceso isométrico

En este proceso el volumen permanece constante, es decir que en este tipo de proceso el volumen no varía y por tanto el trabajo es igual a cero, lo que significa queW= 0.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q = ∆U +W

Como W=0, entonces                    Q = ∆U 

Ejemplos.

1.    Sobre un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón se realiza un trabajo de 5000 J, mediante un proceso isotérmico. Determinar:

a.    La variación de la energía interna del gas.

b.    El calor absorbido o  cedido por el gas.

Solución:

a.    Puesto que el proceso es isotérmico, se tiene que ∆U = 0, luego la energía interna no varía.

b.    Como el trabajo se realiza sobre el gas W = -5000 J, por tanto,

Q = ∆U + W

Q =0 – 5000J

Q = -5000J

Puesto que el calor es negativo, concluimos que el gas cede calor y su valor es 5000J.