DInamica-termoquimica - Florencia Antonella

Vista previa del material en texto

Movimiento, calor y 
temperatura
Dinámica 
 Dinámica es el área de la física que estudia la relación entre el movimiento y 
las fuerzas que lo producen
 Para ello debemos definir conceptos y relaciones entre fuerza y masa, de 
manera de poder analizar los principios de la dinámica establecidos por Sir 
Isaac Newton (1642-1727), quien las publicó, por primera vez, en 1687 en su 
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (“Principios matemáticos de la 
filosofía natural”). Tales enunciados se conocen como leyes del movimiento 
de Newton
Primera ley del movimiento
 “Si la fuerza neta sobre un cuerpo es cero, su movimiento no cambia”
 Los cuerpos tienden a mantener su estado ya sea de reposo o movimiento, 
siempre y no exista ninguna fuerza que perturbe dicho estado.
 Fuerza es una interacción entre dos cuerpos o entre un cuerpo y su ambiente, 
siendo la unidad SI (sistema internacional) de magnitud de fuerza el Newton, 
que se abrevia N
Podemos definir como fuerza peso (P) a la masa del objeto m 
multiplicada por la gravedad g (P = m.g), a F como la fuerza que se 
ejerce sobre el objeto para que éste se desplace, Fr como la fuerza de 
fricción ejercida por el contacto entre el objeto y la superficie sobre la 
que se desplaza, y N como la fuerza “Normal” o fuerza que es ejercida 
sobre un objeto por la superficie con la que esté en contacto. La fuerza 
N siempre es perpendicular a la superficie sobre la que está apoyada.
 En este esquema pueden observarse dos aspectos importantes del 
movimiento:
 a. Las fuerzas son magnitudes vectoriales. Esto significa que podemos 
esquematizarlas como flechas definiendo tres aspectos fundamentales: 
Módulo, Dirección y Sentido.
 b. El desplazamiento del objeto (Figura 3.1) dependerá de la fuerza 
resultante que derive de dicho sistema de fuerzas. Por ejemplo: Si la fuerza P 
es igual que N, y la fuerza F es mayor que Fr, el objeto se desplazará hacia la 
derecha. 
Veamoslo con números: 
 Esto indica que la fuerza resultante o fuerza neta, permitirá que el objeto se 
desplace a aceleración constante y en línea recta. Sin embargo, si P = N y F = Fr, la 
resultante es cero y por lo tanto el cuerpo permanece en reposo, o en caso de 
encontrarse en movimiento su velocidad será constante. En otras palabras, si la 
fuerza F no logra superar la fuerza de fricción Fr, dicho objeto permanecerá en 
reposo o continuará su movimiento sin cambiar la velocidad.
 Experimentos como el que describimos demuestran que, si la fuerza neta que 
actúa sobre un cuerpo es cero, éste permanece en reposo o con velocidad 
constante. En caso que la resultante sea distinta de cero, el objeto se moverá con 
aceleración constante en línea recta.
 Una vez que un cuerpo se pone en movimiento, no se necesita una fuerza neta 
para mantenerlo en movimiento; a tal observación la conocemos como primera ley 
del movimiento de Newton.
 La tendencia de un cuerpo a seguir moviéndose una vez iniciado su movimiento es 
resultado de una propiedad llamada inercia.
Fuerzas de contacto
 Son aquellas que implican contacto directo entre dos cuerpos, por ej. la
fuerza ejercida por una cuerda o por un cordel estirado sobre un objeto al
cual se ata se llama fuerza de tensión, siendo ésta un tipo de fuerza que
llamamos fuerza de contacto. Otro ejemplo es la fuerza normal, la cual es
ejercida sobre un objeto por cualquier superficie con la que esté en contacto.
El adjetivo normal significa que la fuerza siempre actúa perpendicular a la
superficie de contacto, sin importar el ángulo de esa superficie. Por el
contrario, la fuerza de fricción ejercida sobre un objeto por una superficie
actúa paralela a la superficie, en la dirección opuesta al deslizamiento. En
todos los casos, la fuerza resulta por el contacto entre dos cuerpos.
Fuerzas de largo alcance
 Por el contrario, las fuerzas de largo alcance son capaces de actuar aunque
los cuerpos estén separados. Ejemplos de éste tipo de fuerzas, son las fuerzas
de atracción entre dos imanes, las fuerzas de atracción electrostática entre
partículas subatómicas, etc. Un buen ejemplo de fuerza de largo alcance es la
fuerza peso, la cual depende de la aceleración de la gravedad y de la masa
del cuerpo:
Velocidad y aceleración: dimensiones 
del movimiento
 Se puede definir a Velocidad como la distancia recorrida en una unidad de 
tiempo:
Mientras la velocidad de un cuerpo se mantenga constante, éste no será acelerado, y 
por lo tanto podemos deducir cuánto tiempo demora dicho objeto en llegar a destino. 
Un ejemplo es cuando durante un viaje, recorremos un tramo del camino a velocidad 
constante según la indicación de los límites permitidos de velocidad: Mientras el cartel 
indica 90 km/h, dicha velocidad no puede ser superada, y por lo tanto si debemos 
recorrer 90 km sabremos que en 1 hora llegaremos a destino
Velocidad y aceleración 
 Sin embargo, nuestro recorrido no suele ser a una misma velocidad. Es decir, 
existen tramos del viaje que requieren de cambios en la velocidad del 
vehículo, para respetar otros límites de velocidad o bien para pasar otro 
vehículo que se encuentra desplazándose a otra velocidad. En estos casos es 
preciso recurrir a la aceleración para cambiar la velocidad en función del 
tiempo. Es por ello que podemos definir a la aceleración como: 
Segunda ley del movimiento
 La segunda ley de Newton establece que si una fuerza externa neta actúa 
sobre un cuerpo, éste se acelera. La dirección de aceleración es la misma que 
la dirección de la fuerza neta. El vector de fuerza neta es igual a la masa del 
cuerpo multiplicada por su aceleración
 Esto define que la fuerza necesaria para acelerar un objeto es proporcional a 
su masa y su aceleración. Siendo la aceleración directamente proporcional a 
la Fuerza e inversamente proporcional a la masa. Por lo tanto si la fuerza 
ejercida sobre un objeto se mantiene constante, a menor masa mayor 
aceleración ejerce el objeto.
Tercera ley del movimiento
 La tercera ley de Newton establece que si el cuerpo A ejerce una fuerza sobre 
el cuerpo B (una “acción”), entonces, B ejercerá una fuerza sobre A (una 
“reacción”). Estas dos fuerzas tienen la misma magnitud y dirección pero 
sentido opuesto, y actúan sobre diferentes cuerpos.
 En la figura se observa que las fuerzas de acción y reacción (flechas rojas) son 
de contacto, y sólo existen cuando dos cuerpos se tocan. Sin embargo, la 
tercera ley de Newton también es válida para las fuerzas de largo alcance 
como la de atracción gravitacional.
 Al lanzar una pelota hacia el cielo la misma ejerce una fuerza gravitacional 
hacia arriba sobre la Tierra, igual en magnitud a la fuerza gravitacional que la 
Tierra ejerce hacia abajo sobre la pelota.
 Si dejamos caer la pelota, ésta y la Tierra se aceleran una hacia la otra, 
siendo la fuerza resultante sobre cada una de igual magnitud y sentido 
opuesto. Esto implica que la tierra también se mueve, sin embargo la 
aceleración de la Tierra es pequeñísima porque su masa es muy grande, por lo 
tanto dicho movimiento es imperceptible.
Trabajo, potencia y energía 
 Mientras el cuerpo se mueve, existe una fuerza constante que actúa sobre él 
en la dirección del desplazamiento. Definimos el trabajo W realizado por esta 
fuerza constante, como el producto de la magnitud F de la fuerza y la 
magnitud d del desplazamiento:
El trabajo es entonces directamente proporcional a la Fuerza y a la distancia del 
desplazamiento. La unidad de trabajo en el SI (sistema internacional) es el Joule 
(que se abrevia J). En el SI la unidad de fuerza es el newton y la unidad de 
distancia es el metro, así que 1 joule equivale a un newton-metro.
 Sin embargo, la definición de trabajo no tiene en cuenta el paso del tiempo. 
Si usted levanta un paciente de su camilla, considerando que pesa 100 N a 
una distancia vertical de 1.0 m con velocidad constante, usted realizaría un 
trabajo de100 J (W= 100N x 1m). De ésta manera sólo podemos definir el 
trabajo realizado, pero no sabemos si demoramos 1 segundo, 1 hora o 1 año 
en realizarlo. Para ello describimos a la potencia como la rapidez con que se 
efectúa trabajo:
En el Sistema Internacional de unidades, la unidad de potencia es el Watt (W), 
llamada así por el inventor inglés James Watt. Un Watt es igual a un joule por 
segundo: 1 W = 1 J/s.
 Podemos definir a la energía como la capacidad de un sistema en realizar
trabajo
 Diferentes tipos de energia
 Resulta fundamental definir uno de los principios fundamentales de la física:
la ley de la conservación de la energía. Dicha ley establece que la energía
total de un sistema, considerada como la suma de toda la energía presente en
diferentes formas, no cambia. Esto indica que la energía no se crea si se
destruye, sino que se transforma de una a otra forma de energía.
 Un ejemplo clásico es el de la energía mecánica (Em), la cual no es más que 
la suma de la energía potencial (Ep) y la energía cinética (Ec) del sistema. 
Considerando la ley de conservación de la energía, sabemos que la energía 
mecánica total es constante durante el movimiento del sistema. 
 La energía potencial Ep es la energía almacenada de un cuerpo en virtud de su 
posición en reposo. Dicha energía dependerá de la masa, de la gravedad y de la 
altura a la que dicho cuerpo se encuentre.
 Por el contrario, la energía cinética Ec representa la energía debida al movimiento 
de un cuerpo, la cual es proporcionalmente a la masa y la velocidad al cuadrado, 
que dicho cuerpo posee.
Si analizamos la siguiente figura podemos identificar momentos en los cuales la Ep y Ec del sistema cambian, 
pero la Em se mantiene constante.
Palancas y poleas
 Una máquina es un artificio para aprovechar, dirigir o regular la acción de una 
fuerza. Es el conjunto de aparatos combinados para recibir cierta forma de 
energía y transformarla en otra más adecuada, o para producir un efecto 
determinado. Los ejemplos clásicos de máquinas son las palancas y las poleas.
 Las palancas son máquinas simples que consisten esencialmente en una barra 
rígida que se apoya y puede girar sobre un punto de apoyo también conocido 
como “fulcro”, y que sirve para transmitir una fuerza dada con el objeto de 
vencer una resistencia.
 Según la ubicación del punto de apoyo o fulcro será la fuerza (F) que debemos 
realizar para vencer la resistencia (R). Esto se debe a que el trabajo (W) 
necesario realizado por el operador, debe ser igual al trabajo necesario para 
vencer la resistencia:
 Poleas son máquinas simples que consisten en un dispositivo mecánico de 
tracción, formado por una rueda acanalada en todo su perímetro capaz de 
transmitir Fuerza necesaria para mover un Peso.
 Pueden ser simples o sistemas múltiples de poleas capaces de elevar grandes 
pesos con un bajo esfuerzo (ventaja mecánica). Estos sistemas de poleas son 
diversos, aunque tienen algo en común, en cualquier caso se agrupan en 
grupos de poleas fijas y móviles (polipastos o aparejos).

Termodinámica: calor y 
temperatura
 En términos físicos el frío es la ausencia de calor, por consiguiente podemos 
definir a la temperatura como la magnitud que define cuán caliente se 
encuentra un sistema material
 Para medir la temperatura de un cuerpo, utilizamos un instrumento llamado 
termómetro, que es capaz de medir la temperatura al tomar contacto.
 El sistema está en una condición de equilibrio que llamaremos equilibrio 
térmico.
 La capacidad del termómetro de calentarse durante el proceso es debida a la 
transferencia de calor, el cual puede definirse como energía en tránsito de un 
objeto de mayor temperatura a uno de menor temperatura.
Escalas de temperatura
 Si marcamos con “0” el nivel del líquido del termómetro a la temperatura
de congelación del agua pura, y con “100” el nivel a la temperatura de ebullición, y luego 
dividimos la distancia entre ambos puntos en cien intervalos iguales llamados grados, el 
resultado es la escala de temperatura Celsius (antes llamada centígrada) 
 En la escala de temperatura Fahrenheit, aún usada en la vida cotidiana en Estados Unidos, la 
temperatura de congelación del agua es de 32 °F (32 grados Fahrenheit) y la de ebullición es 
de 212 °F, ambas a presión atmosférica estándar. Hay 180 grados entre la congelación y la 
ebullición, en vez de 100 como en la escala Celsius. 
 En la escala de temperatura Kelvin, así llamada por el físico inglés Lord Kelvin (1824-1907), 
las unidades tienen la misma dimensión que la escala Celsius (100 divisiones), pero el cero se 
desplaza de modo que 0 K = 2273.15 °C y 273.15 K = 0 °C; es decir, una temperatura 
ambiente común de 20 °C (=68 °F), es 20 + 273.15 o aproximadamente 293 K. 
 Siendo el calor energía en tránsito, podemos definir una unidad de cantidad 
de calor como la caloría: que es la cantidad de calor necesaria para elevar 
1°C de temperatura a 1 g de agua.
 También se usa la kilocaloría (Kcal) que equivale a 1000 cal, de utilidad en la 
medición de valor alimentario de los alimentos.
 Puesto que el calor es una transferencia de energía, existe una relación 
definida entre la unidad caloría y el Joule (J). Dicha relación fue demostrada 
experimentalmente siendo: 
Dado que la caloría no es una unidad fundamental del SI, el Comité Internacional de Pesos y 
Medidas recomienda usar el joule como unidad básica de energía en todas sus formas, incluido el 
calor.
Calor especifico 
 Usamos el símbolo Q para definir la magnitud “cantidad de calor”. Se observa 
que la cantidad de calor Q necesaria para elevar la temperatura de una masa 
m de cierto material de T1 a T2 es aproximadamente proporcional al cambio 
de temperatura y a la masa m del material.
Q calor requerido para cambiar la temperatura de la masa
m, donde cp es la capacidad calorífica del material.
Si calentamos agua para mate, necesitamos el doble de calor
para dos termos que para uno, si el intervalo de temperatura 
es el mismo. Por lo tanto Q es directamente proporcional a la 
masa de sustancia a calentar. 
Transferencia de calor y cambios de 
estado
 Toda la materia está formada por átomos o moléculas en constante movimiento 
(energía cinética). La energía cinética promedio de las partículas individuales
se relaciona en forma directa con lo caliente que se siente algo.
 Siempre que algo se calienta sabemos que aumenta la energía cinética de sus 
partículas. Cuando existe liberación de energía en forma de calor, ésta se 
realiza a expensas de una disminución de la energía cinética de las moléculas 
del sistema. 
 Si el calor cedido al ambiente es suficiente, el sistema puede lograr cambiar su 
estado de agregación de mayor ordenamiento y menor movimiento molecular 
(ej. pasaje
de estado gaseoso a estado líquido).
 Existen diversas maneras de transferencia de calor o transferencia
térmica:
 Expansión térmica: Cuando aumenta la temperatura de una sustancia, sus 
moléculas o átomos se mueven con más rapidez y, en promedio, se alejan entre sí. 
Esto genera una dilatación o expansión térmica de la sustancia ya sea sólida, 
líquida o gaseosa.
 Conducción: Transferencia Térmica entre dos superficies en contacto (entre 
cuerpos sólidos o entre sólidos y líquidos). En el nivel atómico, los átomos de las 
regiones más calientes tienen más energía cinética, en promedio, que sus vecinos 
más fríos, así que empujan a sus vecinos, transfiriéndoles algo de
su energía. Los vecinos empujan a otros vecinos, continuando así a través del 
material. Los átomos en sí no se mueven de una región del material a otra, pero si 
su energía. 
 En los diversos sistemas materiales, existen sustancias que son buenas y malas 
conductoras del calor: madera (mala conductora), metales (buenos conductores),
borde de piscinas (aislantes). 
 Convección: Transferencia Térmica en Líquidos y Gases por movimiento de 
una masa de fluidode una región del espacio a otra. El mecanismo de 
transferencia de calor más importante dentro del cuerpo humano (necesario 
para mantener una temperatura casi constante en diversos entornos) es la
convección forzada de sangre, bombeada por el corazón. 
 Radiación: Transferencia Térmica por ondas electromagnéticas como la luz 
visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta. El calor de la radiación solar, 
el intenso calor de un proyector o una luz en un recital, casi todo el calor de 
estos cuerpos tan calientes no nos llega por conducción ni por convección en 
el aire intermedio, sino por radiación. 
Cambios de estado de la materia
 Cuando la transferencia térmica supera un umbral de movimiento molecular 
podemos hablar de cambios de estado de agregación de la materia. 
 Cabe destacar que un sistema que gana calor tiene a ganar energía cinética 
de sus moléculas y por ende evoluciona a estados de agregación más 
desordenados (ej. Ebullición: cambio de fase de líquido a gas). 
 Por el contrario cuando un sistema material pierde calor, sus moléculas 
pierden movimiento y se ordenan, evolucionando a estados de agregación más 
estructurados (ej. Congelación: cambio de fase de líquido a sólido). 
Formas de transferencia térmica que generan 
cambios de estado de agregación de la 
materia:
 Por ganancia de calor:
• Evaporación: Cambio de la fase líquida a la fase gaseosa, que se efectúa en 
la superficie de un líquido. La temperatura de cualquier sustancia se 
relaciona con la energía cinética promedio de sus partículas. Las moléculas en 
el agua líquida tienen una gran variedad de velocidades y direcciones de 
movimiento. Las moléculas de la superficie que aumentan su energía cinética 
pueden tener la energía suficiente como para liberarse del líquido y de esta 
manera se transforman en moléculas de vapor.
• Ebullición: Cambio de la fase líquida a la fase gaseosa, que ocurre en el 
interior de un líquido. Sólo se pueden formar burbujas en el líquido cuando la 
presión del vapor dentro de las burbujas es suficiente como para resistir la 
presión de líquido que las rodea. 
 Por pérdida de calor:
• Condensación: Ocurre cuando un gas se enfría. Por ej. cuando el vapor de 
agua toma contacto con una superficie de menor temperatura (vidrio de una 
ventana), éste transfiere su calor y cambia a estado líquido.
• Congelación: Al retirar la energía de un líquido, el movimiento de las 
moléculas disminuye hasta que el final se mueven con la suficiente lentitud 
como para que las fuerzas de atracción en ellas puedan producir la cohesión y 
se forme el sólido. 
Temperatura corporal y trastornos de la 
Temperatura
 La temperatura corporal es una magnitud finamente regulada por el organismo, 
siendo su rango de normalidad entre 35,8 y 37,2 ºC, con variaciones durante el día 
que la pueden elevar durante la tarde.
La misma depende del equilibrio entre la producción de calor y la pérdida de éste, 
respondiendo a una compleja regulación que incluye 3 mecanismos:
1 Termo-receptores ubicados en la piel y en el núcleo preóptico del hipotálamo.
2 La sudoración, vasodilatación periférica e hiperventilación: generan una 
sobrecarga circulatoria con el consiguiente descenso de las resistencias 
periféricas, aumento de la frecuencia y del gasto cardíaco.
3 Área de control localizada en el cerebro: el cual estimula la sed y la necesidad 
de disipar calor.
 El ser humano tiene la capacidad de convertir el alimento en energía. El 
metabolismo basal consume entre 50 y 60 Kcal/h/m2. Si el organismo no contase 
con un sistema de enfriamiento, la magnitud de la tasa metabólica originaría un 
aumento de un grado centígrado por hora en la temperatura corporal