Autores

Dr. Julio Vázquez Conde

MS c. Zulema Pérez Gómez

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Profesor

A continuación le brindamos algunas tareas docentes que puede realizar en las clases de Física, en correspondencia con las transformaciones propuestas para esta asignatura en la Educación Pre Universitaria. Encontrará además, algunos comentarios metodológicos que puede ayudarlos en la labor que desempeña.

T1. ¿Qué entiendes por trabajo?

 

Comentario metodológico

Otra de las formas de transmisión de energía es el trabajo mecánico. Este contenido tiene como antecedente lo estudiado en la enseñanza secundaria. Se destacará el trabajo como proceso mediante el cual se produce la transmisión de energía mediante la aplicación de fuerzas. Revisar lo tratado en el libro de texto Física 8vo grado y en el 10mo grado (nuevo) y conectar con ello.

 

Al desplazarse la frontera los sistemas que hemos llamado hidrostáticos los puntos de aplicación de las fuerzas de presión ejercida por el medio y por el sistema se desplazan, realizándose trabajo. Atender a lo planteado en los primeros cuatro párrafos del § 3.4 páginas 48-49 del libro del texto Física 11no grado parte I.

 

Para un proceso cuasiestático a presión constante de los mencionados sistemas el trabajo se calcula por:

 

W = P·?V

Para esta discusión se utilizará la representación en el plano P vs V del proceso isobárico.

Durante la expansión o dilatación del sistema, el volumen aumenta venciendo la resistencia del entorno, entonces ?V = Vf - Vi > 0, por lo que resulta natural adoptar el signo positivo para el trabajo, W > 0, cuando este es realizado por el sistema sobre el medio.

 

En caso de una compresión o contracción del sistema el trabajo es realizado por el medio venciendo la resistencia del sistema, el volumen del mismo disminuirá por lo que ?V < 0 por lo que adoptaremos el signo negativo para el trabajo en este caso.

 

Revisar lo tratado en el libro de texto Física 8vo grado y conectar con ello.

Realización del experimento demostrativo de la figura 3.3 del libro de texto Física 11no grado parte I pag. 52

Referencia a los trabajos de Joule de transformación de trabajo en calor y sus resultados.

 

T6. ¿Qué entiendes por energía interna?

 

Comentario metodológico

 

Se partirá de lo estudiado en el 8vo grado. Se destacará la relación entre la energía cinética de las moléculas y átomos que forman a la sustancia con la temperatura. Atender a lo planteado en los primeros tres párrafos del § 3.6 páginas 51-52 del libro del texto Física 11no grado parte I.

T7. ¿De qué factores depende la energía interna?

 

Comentario metodológico

Se destacará que la energía interna depende, en general, de la temperatura y el volumen U(V,T), pues con la variación del volumen cambian también las distancias entre las moléculas del cuerpo y por tanto, la energía potencial de interacción.

 

Se analizará el carácter de función del estado termodinámico de la energía interna y las consecuencias: la independencia de la DU del proceso entre dos estados. Atender a lo planteado a partir del último párrafo de la página 54 del § 3.7 páginas 54-55 del libro del texto Física 11no grado parte I. Se utilizará la representación de los estados termodinámicos en el plano P vs V. (Fig 3.4 Libro de texto Física 11no grado pag 55)

 

A partir del análisis de la interacción entre las moléculas o átomos que forman las sustancias en los diferentes estados de agregación de la sustancia se analizará su contribución de la energía potencial a la energía interna. Se discutirá un modelo de sustancia en el que la energía interna solo depende de la temperatura: el modelo del gas ideal. Se precisará los límites de validez de este modelo.

 

T8. ¿Cómo variar la energía interna de un cuerpo?

 

Comentario metodológico

 

Se destacará que las forma de transformación y transmisión de energía son además del trabajo y el calor, la radiación. Revisar lo tratado en el libro de texto Física 8vo grado y conectar con ello.

 

T9. ¿Qué relación existe entre la variación de energía interna que experimenta un cuerpo, el trabajo que se realiza sobre él y el calor que se le suministra?

 

Comentario metodológico

 

Revisar lo tratado en el libro de texto Física 8vo grado y en el 10mo grado (nuevo) y conectar con ello. Partiendo del principio de conservación de la energía y atendiendo a que un incremento de la energía interna, ?U > 0, se debe a la realización de un trabajo sobre el sistema y al calentamiento. Atender a lo planteado en los primeros cinco párrafos del § 3.7 páginas 53-54 del libro del texto Física 11no grado parte I.

Como el trabajo realizado sobre el sistema le hemos asignado signo negativo y al calor absorbido por este signo positivo entonces:

Energa_internaUn experimento sencillo puede realizarse empleando un tubo de ensayo que contiene una pequeña porción de agua. El tubo se encuentra tapado con un tapón. Se le suministra calor con un mechero. Al cabo de cierto tiempo el tapón sale disparado.

 


?U(V,T) = -W + Q

 

o también

 

Q = W + ?U(V,T)

Enunciar el primer principio de la Termodinámica según la página 54 del libro del texto Física 11no grado parte.

Se convendrá en la importancia de aplicar en primer principio de la Termodinámica a procesos que constituyen etapas de funcionamiento de diversos dispositivos técnicos. En particular resultan de interés los procesos a presión, volumen y temperatura constantes y aquellos en los que no se intercambia calor con el medio.

 

T10. ¿Qué forma adopta el primer principio de la Termodinámica en los procesos isobáricos?

 

Comentario metodológico

Se relacionará con diferentes procesos en el que los fenómenos térmicos ocurren a presión constante, tales como procesos que ocurren a presión atmosférica como reacciones químicas, cocción de alimentos, cambios de estado de agregación.

Procesos que ocurren a presión atmosférica como: reacciones químicas, cocción de alimentos, cambios de estado de agregación y otros.

Ei_1

QP = W + ?U(V,T)

 

Para el caso de que el trabajo realizado sobre el sistema esté relacionado con la variación de su volumen, como el de los gases

 

W = P·?V

 

Interpretar este resultado desde el punto de vista de la ley de conservación y transformación de la energía, de forma que conduzca a la introducción del concepto de calor específico a presión constante.

 

La cantidad de calor suministrada al sistema estará determinada por

 

QP = mcP?T

 

Esta ecuación puede también quedar expresada en función de la cantidad de sustancia

QP = nc´P ?T

El calor específico molar a presión constante del gas ideal c´P resulta una constante aproximadamente igual a 20,8 J/mol. K

T11. ¿Qué forma adopta el primer principio de la termodinámica en proceso en los que se mantiene el volumen de los cuerpos es constante?

 

Comentario metodológico

Se relacionará con procesos que ocurren en marmitas, autoclaves, ollas de presión o cafeteras, calderas de presión
Ei_2

Q = W + ?U

Para el caso de que el trabajo realizado sobre el sistema esté relacionado con la variación de su volumen, como el de los gases.

 

W = 0

 

Por lo que el primer principio adopta la expresión

 

QV = ?U(T)

 

Interpretar este resultado desde el punto de vista de la ley de conservación y transformación de la energía.

 

Para esta discusión se utilizará la representación en el plano P vs V del proceso isocórico.

 

De la ecuación fundamental de la calorimetría

 

QV = mcV?T

 

Para el caso del gas ideal en el U es función sólo de la temperatura

 

DU = mcVDT

 

Esta ecuación puede también quedar expresada en función de la cantidad de sustancia

DU = nc´V DT

 

El calor específico molar a volumen constante del gas ideal c´V resulta una constante aproximadamente igual a 12,5 J/mol. K

T12. ¿Qué forma adopta el primer principio de la termodinámica en proceso en la que los cuerpos mantienen constante la temperatura?

Comentario metodológico

El termostato, los cambios de estado de agregación
Ei3

Precisar que en este caso las variaciones de la energía interna solo estarán relacionadas con el cambio del volumen.

 

QT = W + ?U(V)

En el caso del gas ideal como U no depende de V entonces ?U = 0 y el primer principio de la Termodinámica adopta la expresión particular

 

Para esta discusión se utilizará la representación en el plano P vs V del proceso isotérmico.

 

QT = W

Interpretar este resultado desde el punto de vista de la ley de conservación y transformación de la energía.

T13. ¿Qué forma adopta el primer principio de la termodinámica en proceso en los que no se intercambia calor con el medio?

Comentario metodológico

 

Los sistemas en condiciones que les impiden intercambiar calor con el medio tienen amplia utilización en la técnica, la ciencia y la sociedad.

Ei4

Vasos termos o vasijas Dewar u otros (usados en el hogar, comedores, la medicina, la conservación de alimentos, inseminación artificial, criogenia, etc).

Q = W + ?U

Q = 0 y el primer principio de la Termodinámica adopta la expresión particular

W = - ?U

 

Interpretar este resultado desde el punto de vista de la ley de conservación y transformación de la energía.

 

Como la energía interna es una función de estado, del proceso a volumen constante para sistemas que la energía interna solo depende de la temperatura, como el gas ideal, obtuvimos la expresión

?U = mcVDT

 

por lo que

 

W = - mcV?T

 

Para esta discusión se utilizará la representación en el plano P vs V del proceso adiabático, señalando el cambio de isoterma..

Comentar acerca de que se ha realizado un estudio de las leyes que rigen los fenómenos que permiten la obtención, transformación y utilización de la energía térmica, que fue el objetivo que nos planteamos.

T14. Elaborar una nota en que se dé respuesta a la problemática que orientó el estudio realizado.

 

Comentario metodológico

 

Se destacará el carácter fundamental del primer principio de la termodinámica para el estudio de los fenómenos térmicos. En particular se destacará la imposibilidad del móvil perpetuo de primera especie.

 

T15. Realizar un análisis crítico de los resultados del estudio llevado a cabo.

 

Comentario metodológico

Al destacar lo logrado con el estudio realizado se debe mencionar:

 

  • Profundización en conceptos fundamentales relacionados con los procesos térmicos, como: temperatura, calor, trabajo y energía interna.
  • El establecimiento de la ley de las relaciones cuantitativas entre las energías puestas en juego durante los fenómenos térmicos.

 

Entre las limitaciones a destacar están:

  • Reducción al caso en el que el trabajo está relacionado con la variación del volumen del cuerpo y la energía interna solo depende de la temperatura.
  • Calores específicos constantes.
  • Sistemas en equilibrio o próximos al equilibrio.

El análisis de las limitaciones del estudio realizado conllevará a la formulación de la pregunta clave:

 

¿Bajo qué condiciones se puede obtener y transformar de manera estable y eficiente la energía térmica?

 

Tareas para la sistematización y consolidación.

TSC1. Elabora un cuadro sinóptico o resumen sobre los principales conceptos estudiados durante la solución de la problemática analizada.

TSC2. Elabora un cuadro resumen en el que partiendo del primer principio de la Termodinámica expongas la forma particular que adopta para los procesos isobáricos, isocóricos, isotérmicos y adiabáticos y su interpretación a partir de la conservación y transformación de la energía.

TSC3. Intenta explicar la diferencia entre los calores específicos molares a presión y volumen constantes para el gas ideal.

TSC4. #10 Tareas generales del capítulo página 69 del libro del texto Física 11no grado parte I

 

TSC5. #19 Tareas generales del capítulo página 70 del libro del texto Física 11no grado parte I

 

TSC6. #24 Tareas generales del capítulo página 70 del libro del texto Física 11no grado parte I

 

Tarea investigativa #2.

 

Aplicaciones técnicas el primer principio de la termodinámica. Impacto social.

 

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CARACTERIZACIÓN DE LA UNIDAD 1. Fenómenos térmicos y leyes de la termodinámica




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