Interpretación de fenómenos fisicos de la materia-Benito, Plascencia, Alvaro, Laura

Vista previa del material en texto

1
Plantel Felipe Benicio Martínez Chapa “León I”
CUADERNILLO ACADÉMICO
INTERPRETACIÓN DE
FENÓMENOS FÍSICOS DE LA
MATERIA
(IFIM04)
2
Propósito del módulo
Tomar conciencia del comportamiento y las relaciones entre la materia, la energía, el
espacio y el tiempo, mediante la investigación de fenómenos que ocurren en el universo,
para participar y tomar decisiones informadas en contextos de diversidad cultural, en el
nivel local, nacional e internacional.
No. Resultado de aprendizaje Contenidos específicos
1.1 Explica los cambios en el
movimiento de un cuerpo,
identificando los conceptos de
velocidad,, aceleración y fuerza.
A. Cuantificación de magnitudes físicas en situaciones
cotidianas.
 Física objeto de estudio e interdisciplinaridad.
 Magnitudes fundamentales
 Magnitudes derivadas Diferencia entre
magnitudes escalares y vectoriales
 Conversión de unidades por análisis dimensional.
B. Movimiento
 Movimiento en una dimensión
- Con velocidad constante
- Con aceleración constante
 Movimiento en dos dimensiones
 Movimiento circular
- Con velocidad constante
- Con aceleración constante
C. Fuerza
 La fuerza como causante del estado de
movimiento de los cuerpos.
 Leyes de Newton
 Fricción
 Condición de equilibrio.
- Traslacional
- Rotacional
CONTENIDO
3
 Ley de Gravitación Universal
1.2 Construye un modelo de
conservación de la energía mecánica:
cinética y potencial en ausencia de
fricción, distinguiendo diferentes
transformaciones de energía.
A. Energía mecánica
● Relación y diferencia entre fuerza y energía
● Energía potencial
● Energía cinética
● Conservación de la energía mecánica
● Aplicaciones
B. Trabajo y Potencia de una fuerza
● Positivo
● Nulo
● Negativo
2.1 Interpreta el calor como una forma
de transferencia de energía,
distinguiendo entre los conceptos de
calor, temperatura y energía interna.
A. Calor y temperatura
● Efectos del calor
● Unidades para medir el calor
● Escalas termométricas
● Energía (interna)
● Transmisión del calor
B. Propiedades termodinámicas de la materia
● Calor específico
● Capacidad calorífica
● Calor latente
● Dilatación de los cuerpos
- Lineal
- Superficial
4
- Volumétrica
C. Leyes de los gases
● Teoría cinética de los gases
- Variables termodinámicas
extensivas e intensivas.
● Ley de Boyle
● Ley de Charles
● Ley de Gay Lussac
● Ley General de los gases
D. Leyes de la termodinámica
● Ley cero de la termodinámica principio del equilibrio
termodinámico.
● Primera ley de la termodinámica o principio de la
conservación de la energía.
● Segunda ley de la termodinámica.
● Tercera ley de la termodinámica.
2.2
Distingue las diferentes fuentes de
energía y su aprovechamiento para la
sociedad, identificando las ventajas y
desventajas en su producción y
almacenamiento.
A. Energía eléctrica
 Potencial eléctrico
 Corriente eléctrica
 Fuerza electromotriz
 Conductividad eléctrica
 Variación de la resistencia con la temperatura
B. Medios de generación de energía
eléctrica
 Central termoeléctrica
 Central nucleoeléctrica
 Central hidroeléctrica
C. Recursos energéticos.
 Obtención, transformación y aprovechamiento
de la energía.
 Fuentes alternativas
Importancia del uso responsable de la energía
para el cuidado del medio ambiente.
5
UNIDAD 1 . APLICACIÓN DE LA MECÁNICA
1..1Explica los cambios en el movimiento de un cuerpo, identificando los
conceptos de velocidad, aceleración y fuerza.
Cuantificación de magnitudes físicas en situaciones cotidianas.
Conversión de unidades por análisis dimensional.
En la actualidad existen gran cantidad de unidades para medir cada magnitud
física. Esto es debido a que, por un lado, en determinadas regiones se usaban sus
propias unidades lo que ha propiciado que existan gran número de ellas, y por otro,
en ocasiones es necesario emplear unidades que nos permitan obtener valores
más pequeños y con los que nos sea más sencillo trabajar.
En cualquier caso, la comunidad científica recomienda utilizar únicamente las
unidades del Sistema Internacional y si nuestras magnitudes no se encuentran en
este sistema, por lo general deberemos convertirlas a un valor equivalente. A
continuación, se muestran algunas tablas con los valores de conversión de las
principales unidades utilizadas:
1. Tabla de conversión de Pesos
Peso Kilógramo Toneladas Onza Libra L. Ton Sh. Ton
Kilógramo 1 0,001 35,27 2,2 0,000984 0,001102
Ton.
Métrica
1000 1 35274 2204,62 0,98421 1,10231
Onza 0,028349 0,000028 1 0,0625 0,000028 0,000031
Libra 0,45359 0,000454 16 1 0,000446 0,0005
6
Long Ton 1016,05 1,01605 35840 2240 1 1,12
Short Ton 907,185 0,90718 32000 2000 0,89286 1
2. Tabla de conversión de Longitud
Longitud Metro Kilómetro Pulgada Pie Milla
Terr.
Milla Marit.
Metro 1 0,001 39,3701 3,28084 0,006621 0,0005399
Kilómetro 1000 1 39370,1 3280,84 0,62137 0,5399568
Pulgada 0,025399 0,000025 1 0,08333 0,000015 0,00001371
Pie 0,304794 0,000304 12 1 0,000189 0,00016457
Milla
Terr.
1609,34 1,60934 63360 5280 1 0,8689607
Milla
Marit.
1852 1,852 72913,4 6076,12 1,1508 1
3. Tabla de conversión de Volumen
Volumen Metro Cúbico Litro Pie Cúbico
Metro Cúbico 1 1000 35,3147
Litro 0,001 1 0,035316
Pie Cúbico 0,028317 28,3168 1
4. Tabla de conversión de Tiempo
Tiempo Segundo Minuto Hora
Segundo 1 0,01667 0,0002778
7
Minuto 60 1 0,01667
Hora 3600 60 1
Problema 1: (ejemplo)
Convertir 87 Kg a Libras
Solución:
Datos Desarrollo
De Tabla 1:
1 Kg=2.2
Libras
Paso 1. Se escribe la cantidad con la unidad de medida que se
quiera transformar: 87 Kg
Paso 2. Se anota el signo de multiplicación y una raya de quebrado,
los dos signos nos indican que hacemos dos operaciones, una de
multiplicación y otra de división:
87 Kg x
Paso 3. Considerar la equivalencia dada en “Datos”
1 Kg=2.2 Libras
la cual se puede escribir así: 2.2 Libras
Paso 4. Al obtener el factor de conversión se hacen las operaciones
para que pueda eliminarse la unidad que se desea transformar:
87 Kg x 2.2 Libras = 191.4 Libras
Resultado: 87 Kg =
191.4 Libras
Problema 2: (ejemplo)
Convertir 115 Km/h a Millas/min
Solución:
Datos Desarrollo
De Tabla 2:
1 Km=0.62137
Millas
De Tabla 4:
1 hora=60 minutos
Paso 1. Se escribe la cantidad con las unidades de medida
que se quieran transformar:
115 km/h
Paso 2. En este ejemplo se convertirán dos magnitudes, por lo
tanto, se anota el signo de multiplicación y una raya de
quebrado –ambas dos veces-, los dos signos nos indican que
1 Kg
1 Kg
8
hacemos dos operaciones, una de multiplicación y otra de
división:115 Km/h
Paso 3. Considerar las equivalencias dadas en “Datos”
1 Km=0.62137 Millas
1 hora=60 minutos
las cuales se pueden escribir así:
0.62137 Millas ; 1 h
Paso 4. Al obtener los factores de conversión se hacen las
operaciones para que puedan eliminarse las unidades que se
desean transformar:
115 Km x 0.62137 Millas x 1 h = 1.19 Millas
Resultado: 115 Km/h = 1.19
Millas/ min
Movimiento.
Movimiento en una dimensión
- Con velocidad constante
- Con aceleración constante
Velocidad y vector velocidad.
La velocidad media v de un móvil que recorre una distancia s en un tiempo t es,
por definición, el cociente
v=st
(1)
de donde
s= vt (2)
La velocidad es una magnitud escalar que expresa el valor numérico del cambio
de posición de un móvil con respecto a tiempo, prescindiendo de la dirección y
sentido del movimiento. El vector velocidad es una magnitud vectorial cuyo módulo
es la velocidad y que posee una dirección y un sentido determinados por el
movimiento. El vector velocidad de un móvil varía cuando lo hace o bien la
velocidad, o la dirección del movimiento, o el sentido del mismo, o una
combinación de tales características.
1 Km
1 Km
60 min
h 60 min min
9
Unidad de velocidad lineal = unidad de longitud
unidad de tiempo
Por tanto, el metro por segundo (m/s) y el kilómetro por hora (km/h) son unidades
de velocidad lineal.
Aceleración
Es la variación que experimenta el vector velocidad en la unidad de tiempo. Por
consiguiente, se trata de unamagnitud vectorial.
Sea v0 la velocidad inicial, en un instante t = 0, de un móvil. Si este aumenta o
disminuye uniformemente su velocidad a partir de aquella, en el instante t su
velocidad es v, de manera que el módulo de la aceleración constante del
movimiento es
a = v - v0 = variación de la velocidad
t intervalo de tiempo
Aceleración de la gravedad (g).
La aceleración de un cuerpo en caída libre (despreciando la resistencia del aire)
es constante para cada lugar de la tierra y varía relativamente poco de unos
puntos a otros. Su valor aproximado es
g = 9,8 m2/s
Las ecuaciones del movimiento de aceleración constante se pueden aplicar al
movimiento de los cuerpos en caída libre sin más que sustituir g por a.
Fuerza.
Ley de Gravitación Universal
La Ley de Gravitación Universal describe la interacción gravitatoria entre cuerpos
masivos, y establece una relación de proporcionalidad de la fuerza gravitatoria con
la masa de los cuerpos.
Para formular esta ley, Newton dedujo que la fuerza con que dos masas se atraen
es proporcional al producto de sus masas dividido por la distancia que las separa
al cuadrado.
La ley implica que mientras más cerca y más masivos sean dos cuerpos, más
intensamente se atraerán.
Enunciado de la Ley de Gravitación Universal
10
“La fuerza con que se atraen dos objetos es proporcional al producto de sus
masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa”.
Esto significa que dos cuerpos cualesquiera se atraen con una fuerza mayor o
menor según su masa sea mayor o menor, y según la distancia entre ellos.
Fórmula de la Ley de Gravitación Universal
La fórmula fundamental de la Ley de Gravitación Universal es la siguiente:
F = (G . m1 . m2) / r²
En donde:
F = Es la fuerza de atracción entre dos masas
G = Es la constante de gravitación universal ( 6,673484.10-11 N.m2/kg2)
m1 = es la masa de uno de los cuerpos
m2 =es la masa de otro de los cuerpos
r 2 = la distancia que los separa.
Si se calculan las fuerzas atractivas de cada cuerpo (la fuerza que la masa 1 le
hace a la 2 y viceversa), se tendrán dos fuerzas iguales en módulo y de sentido
opuesto. Para obtener esta diferencia de signos, es necesario escribir la ecuación
de la siguiente manera:
Problema 3: (ejemplo)
Una masa de 800 kg y otra de 500 kg se atraen en el vacío, separadas por un
espacio de 3 metros. ¿Cuál será la fuerza de atracción que experimentan?
Solución:
Datos Fórmulas Desarrollo
F = ¿?
m1 = 800
Kg
m2 = 500
Kg
r = 3 m
G = cte
F = G.
(m1.m2)/r2
F = (6,67×10-11 N.m2/kg2) . (800 kg . 500 kg) /
(3m)2
Resultado: F = 2,964
x 10-6N
Ejercicios:
Resolver las siguientes conversiones de unidades
1. 13 m3 /h a Litros / s
11
2. 390 Km a m
3. 85 cm a pulgadas (in)
4. 630 km/s a pies /h
5. 245 km/h a m/s
6. ¿A qué distancia se deben colocar dos cuerpos de masa de 1 Kg, para que se
atraigan con una fuerza de 1 N?
Solución:
Datos Fórmulas Desarrollo
r = ¿?
m1 = 1 Kg
m2 = 1 Kg
F = 1 N
G = cte
12
1.2 Construye un modelo de conservación de la energía mecánica: cinética y
potencial en ausencia de fricción, distinguiendo diferentes transformaciones
de la energía
Trabajo, energía y potencia
Sírvase resolver los siguientes problemas leyendo las definiciones y
atendiendo las especificaciones en cada uno.
Trabajo mecánico
El trabajo es una magnitud escalar producida solo cuando una fuerza mueve un
cuerpo en la misma dirección en que se aplica. Su valor se calcula multiplicando la
magnitud de la componente de la fuerza localizada en la misma dirección en que
se efectúa el movimiento del cuerpo, por la magnitud del desplazamiento que éste
realiza. Es decir:
� � � � �‸ㄳ� � �
Que se expresa de la siguiente manera:
� � � � � � �‸ㄳ�
Donde:
� � �anena‸ a푒n��푧n�‸ 푒t � � � � a‸�푒 � �
� �‸ㄳ� � �n�t݋�� �푒 �n �‸��‸t푒t݋푒 �푒 �n �푒a푧n 푒t �n ��a푒���ót �푒� �‸㤳���푒t݋‸ 푒t t푒݋�‸tㄳ ��h
� � �n�t݋�� �푒� �푒ㄳ��n푧n��푒t݋‸ 푒t�푒݋a‸ㄳ ��h
Si la fuerza que mueve el cuerpo se encuentra totalmente en la misma dirección
en que se efectúa el desplazamiento, el ángulo θ es igual a cero y el cos θ = cos
0° = 1, donde el trabajo será igual a:
� � � � �
Problemas en los que se realiza trabajo mecánico
Problema 1: En la siguiente figura vemos a un cuerpo cuyo peso tiene una
magnitud de 10 N y se levanta a una altura de 1 m. ¿A cuánto equivale el trabajo
realizado?
13
Especificaciones:
a) El trabajo es una magnitud escalar producida solo cuando una fuerza mueve un
cuerpo en la misma dirección en el que se aplica. Su valor se calcula multiplicando
la magnitud de la componente de la fuerza localizada en la misma dirección en
que se efectúa el movimiento del cuerpo, por la magnitud del desplazamiento que
éste realiza. Es común expresar el trabajo de la siguiente manera:
� � � � � � �‸ㄳ�
Donde:
T � trabajo realizado en N�m = joule = J
F cosθ �magnitud de la componente de la fuerza en la dirección del movimiento en
newtons (N)
d � magnitud del desplazamiento en metros (m)
Si la fuerza que mueve el cuerpo se encuentra totalmente en la misma dirección
en que se efectúa el desplazamiento, el ángulo θ es igual a cero y el �‸ㄳ� � �‸ㄳ�� � �,
donde el trabajo será igual a:
� � � � �
b) Aplicar la fórmula: � � � � � ¿Por qué?
Problema 2: En la siguiente figura tenemos al mismo cuerpo anterior pero ahora
es jalado por una fuerza cuya magnitud es de 6 N que forma un ángulo de 30°
respecto a la dirección del desplazamiento. ¿Cuál será el valor del trabajo
realizado si el desplazamiento del cuerpo es de 2 m?
Especificaciones:
Aplicar la fórmula: � � � � � � �‸ㄳ�
Definición de Energía
La energía es una propiedad que caracteriza la interacción de los componentes de
un sistema físico que tienen la capacidad de realizar un trabajo. La unidad de
energía en el Sistema Internacional es el joule (J).
14
� � � � � � � �� �
�
ㄳ�
� � � �� �
��
ㄳ�
Energía potencial gravitacional (EPG)
Cuando levantamos un cuerpo cualquiera a una cierta altura (h), debemos
efectuar un trabajo igual al producto de la magnitud de la fuerza aplicada por la
altura a la que fue desplazado. Este trabajo se convierte en energía potencial
gravitacional, llamada así pues su origen se debe a la atracción gravitacional
ejercida por la Tierra sobre el cuerpo. Como el trabajo (T) realizado para elevar un
cuerpo es igual a la energía potencial gravitacional (EPG), tenemos:
�晦䁊 � � � 晦O
La magnitud de la fuerza requerida para elevar un cuerpo a cierta altura es igual a
la magnitud de su peso, por tanto:
� � 晦 � ��
Donde la energía potencial gravitacional es igual a:
�晦䁊 � 晦O � ��O
� � h��
�
ㄳ�
Las unidades de EPG en el Sistema Internacional son:
�晦䁊 � �� �
�
ㄳ�
� � �
�� � ��
ㄳ�
� a‸�푒ㄳ ��h
Energía cinética (EC)
Todo cuerpo en movimiento tiene energía cinética. Por ejemplo, cuando una
persona camina o corre, un avión en pleno vuelo o al momento de adquirir
velocidad para su despegue, una corriente de agua, un disco que gira, la rueda de
la fortuna, un pájaro al volar, una canica al rodar por el suelo, una manzana que
cae de un árbol y, en fin, todo aquello que está en movimiento tiene energía
cinética.
Energía cinética traslacional (ECT)
Un cuerpo tiene energía cinética traslacional cuando todas sus partes siguen una
misma dirección, por ejemplo, una persona cuando camina o corre, un automóvil
en movimiento, etcétera. Un cuerpo suspendido a cierta altura, al ser soltado
transforma su energía potencial gravitacional en energía cinética traslacional. Para
que un cuerpo en reposo adquiera energía cinética traslacional, es necesario
realizar un trabajo sobre él, de tal manera que una fuerza constante al actuar
sobre el cuerpo lo desplace aumentando la magnitud de su velocidad,
acelerándolo desde el reposo hasta cierta velocidad.
Para obtener la energía cinética traslacional se pueden utilizar las fórmulas
siguientes:
15
��� �
�
��
㤳�
��� �
� � 㤳�
�
Potencia mecánica
Se define como la rapidez con que se realiza un trabajo. Se mide en watts (W) y
se dice que existe una potencia mecánica de un watt cuando se realiza un trabajo
de un jouleen un segundo.
�� �
�
ㄳ
La potencia se expresa matemáticamente de la siguiente manera:
晦 �
�
݋
Donde:
晦 � 푒t��n݋‸� 푒t
�
ㄳ
� �n݋݋ㄳ ��h
� � ‸anena݋ a푒n��푧n�‸ 푒t a‸�푒ㄳ ��h
݋ � ‸���푒݋ 푒t �푒 ㄳ푒 a푒n��푧n 푒� ‸anena݋ 푒t ㄳ푒�t�‸ㄳ �ㄳh
La siguiente expresión matemática permite calcular la potencia si se conoce la
magnitud de la velocidad que adquiere el cuerpo, misma que tendrá una dirección
y sentido igual a la de la fuerza que recibe.
晦 � � � 㤳
Para conocer la eficiencia (η) o rendimiento de una máquina que produce un
trabajo, se puede utilizar la siguiente expresión:
η �
�anena‸ �a‸����‸ �‸a �n �á��tn
�anena‸ ㄳ��t�ㄳ݋an�‸ n �n �á��tn
� ���
Problema 3: Calcular en Joules la energía cinética traslacional que lleva una bala
de 8 g si su velocidad tiene una magnitud de 400 m/s.
Especificaciones:
a) Convertir la masa a kilogramos ya que los Joules (J) unidad para medir la
energía en el Sistema Internacional de unidades, vienen dados en �� � �
�
ㄳ�
.
b) Aplicar la fórmula de la energía cinética traslacional: ��� � �
�
� � 㤳�.
Problemas sobre energía y potencia
Problema 4: Calcular la masa de un cuerpo cuya velocidad tiene una magnitud de
10 m/s y su energía cinética traslacional, de 1000 J.
Especificaciones:
16
a) Emplear la fórmula ��� � �
�
� � 㤳�, de la cual hay que despejar la masa (m)
� � ����
㤳�
Problema 5: Calcular la energía potencial gravitacional de una piedra de 2.5 kg si
se eleva a una altura de 2m.
Especificaciones:
a) La energía potencial gravitacional se da cuando levantamos un cuerpo
cualquiera a una cierta altura (h), debemos efectuar un trabajo igual al producto de
la magnitud de la fuerza aplicada por la altura a la que fue desplazado. Este
trabajo se convierte en energía potencial gravitacional:
�晦䁊 � � � 晦O
La magnitud de la fuerza requerida para elevar un cuerpo a cierta altura es igual a
la magnitud de su peso, por tanto:
� � 晦 � ��
Donde la energía potencial gravitacional es igual a:
�晦䁊 � 晦O � ��O
Las unidades de EPG en el Sistema Internacional son:
�晦䁊 � ��
�
ㄳ�
� � ��
��
ㄳ�
� a‸�푒ㄳ � �h
b) Emplear la fórmula �晦䁊 � ��O.
Problema 6: ¿A qué altura se debe encontrar una silla de 5 kg para que tenga una
energía potencial gravitacional de 90 J?
Especificaciones:
Emplear la fórmula �晦䁊 � ��O, despejando “h” queda: O � �晦䁊
��
Problema 7: Un automóvil lleva una energía cinética traslacional de ������ y se
detiene después de recorren una distancia de 30 m. Calcular la magnitud de la
fuerza media que ha actuado para detenerlo.
Especificaciones:
Aplicar la fórmula:
��� � �
De donde:
��� � � � �
Y despejar la fuerza (F):
� �
���
�
Problema 8: Calcular la potencia de una grúa que es capaz de levantar 30 bultos
de cemento hasta una altura de 10 m en un tiempo de 2 segundos, si cada bulto
tiene una masa de 50 kg.
Especificaciones:
Aplicar la fórmula:
17
晦 �
�
݋ �
� � �
݋
b) Para elevar los 30 bultos a velocidad constante, debe desarrollarse una fuerza
cuya magnitud es igual a su peso, donde se aplica la fórmula:
� � 晦 � ��
Donde la masa (m) es la de los 30 bultos, es decir, 30x50 kg, y g = 9.8 m/s2.
Problema 9: Calcular el tiempo que requiere un motor de un elevador cuya
potencia es de 37500 W, para elevar una carga de 5290 N hasta una altura de 70
m.
Especificaciones:
a) Aplicar la fórmula: 晦 � ���
݋
b) Despejar el tiempo: ݋ � ���
晦
Problema 10: La potencia de un motor eléctrico es de 50 hp. ¿A qué magnitud de
velocidad constante puede elevar una carga de 9800 N?
Especificaciones:
a) Aplicar la fórmula: 晦 � � � 㤳
b) Despejar la velocidad: 㤳 � 晦
�
UNIDAD 2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS
TÉRMICAS Y ELÉCTRICAS
2.1 Interpreta el calor como una forma de transferencia de energía,
distinguiendo entre los conceptos de calor, temperatura y energía interna.
Calor y temperatura
Actualmente, se interpreta el calor como una energía en tránsito que fluye de
objetos a mayor temperatura a los de menor temperatura.
18
Cuando tocamos un objeto lo podemos sentir caliente o frío según la temperatura
que tenga, así como de la capacidad que tiene para conducir calor. Nuestro
organismo no detecta la temperatura, sino pérdidas o ganancias de calor. Si
sentimos que un objeto está muy frío es porque nuestro organismo le está
transmitiendo mucho calor.
La temperatura es una magnitud física que indica qué tan caliente o fría está una
sustancia y se mide con un termómetro.
La temperatura es una de las magnitudes físicas o parámetros que contribuyen a
describir el estado de un sistema. Al conocer su valor y el de otros parámetros, por
ejemplo, la presión o el volumen, se puede tener una valiosa información para
predecir los cambios que se producirán en un sistema cuando interacciona con
otro.
La temperatura y el calor están muy ligados pero no son lo mismo.
Medición de la temperatura
Para medir la temperatura se utiliza el termómetro. El fenómeno de la dilatación de
los fluidos se utiliza en la construcción de los termómetros. Cuando se necesita
medir temperaturas altas se emplean los termómetros de resistencia.
Escalas de temperatura y sus unidades
1. Para transformar de grados Celsius a Kelvin:
K = °C + 273
2. Para transformar de Kelvin a grados Celsius:
°C = K - 273
3. Para transformar de grados Celsius a grados Fahrenheit:
°F = 1.8 °C + 32
4. Para transformar de grados Fahrenheit a grados Celsius:
°C = (°F – 32) / 1.8
5. Para transformar de grados Fahrenheit a grados Rankine:
°R = °F + 460
Revisa con atención los siguientes ejemplos:
Transformación de temperaturas de una escala a otra
1. Transformar 100 °C a K.
Solución: K =100 °C + 273 = 373 K
2. Transformar 273 K a °C.
Solución: °C = 273 K - 273 = 0 °C
19
3. Transformar 0 °C a °F.
Solución: °F = 1.8 X 0 °C + 32 = 32 °F
4. Transformar 212 °F a °C.
Solución: °C = (212 °F – 32) /1.8 = 100 °C
5. Transformar 0 °F a °R.
Solución: °R = 0°F + 460 = 460 °R
Ejercicios:
Transformar:
1. 50 °C a K.
2. 120 °C a K.
3. 380 K a °C.
4. 210 K a °C.
5. 60 °C a °F.
6. 98 °C a °F.
7. 50 °F a °C.
8. 130 °F a °C.
9. 85 °F a °R.
10. 320 °R a °F.
Unidades para medir el calor
En virtud de que el calor es una forma de energía llamada energía calorífica, las
unidades para medir el calor son las mismas del trabajo mecánico y de la energía.
Por tanto, en el Sistema Internacional la unidad usada es el:
joule = newton metro = Nm = J
De manera práctica, aún se usan como unidades la caloría, la kilocaloría y el BTU
para medir el calor, por ello las describiremos a continuación.
a) Caloría. Es la cantidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su
temperatura 1 °C, de 14.5 a 15.5 °C
b) Kilocaloría. Es un múltiplo de la caloría y equivale a: 1 kcal = 1 000 cal
c) BTU. Es la cantidad de calor aplicada a una libra de agua (454 g) para que
eleve su temperatura un grado Fahrenheit: 1 BTU = 252 cal = 0.252 kcal
La equivalencia entre joules y calorías es la siguiente:
1 joule = 0.24 cal
1 caloría = 4.2 J
Mecanismos por medio de los cuales el calor se transmite de un cuerpo a
otro
El calor o energía calorífica siempre se transmitirá de un objeto de mayor
temperatura a uno de menor temperatura.
20
La transferencia o propagación del calor entre los cuerpos, se realiza de tres
formas diferentes:
a) Conducción: Ésta se debe a la agitación que el calor produce entre las
moléculas de un objeto y que se transfiere en forma sucesiva de una a otra
molécula sin que estas partículas adquieran energía cinética traslacional.
b) Convección: El calentamiento en los líquidos y gases se da por convección. La
convección es la corriente que se establece entre dos puntos de una masa fluida
cuando existe entre ellos una diferencia de temperatura.
c) Radiación: La radiación es la propagación del calor por medio de ondas
electromagnéticas
esparcidas incluso en el vacío, a una magnitud de velocidad aproximada de 300
mil km/s.
EJERCICIO:
Instrucciones: Anota una V en el paréntesis de la izquierda si el enunciado es
verdadero y F si es falso.
1. ( ) Mario dice que la temperatura indica la cantidad de calor que tiene una
sustancia.2. ( ) Ricardo afirma que nuestro organismo no detecta la temperatura, sino
pérdidas o ganancias de calor.
3. ( ) Andrea comenta que el cero absoluto de temperatura equivale a 0 °C.
4. ( ) Diana señala que existe un límite mínimo de temperatura: 0 K = -273 °C,
pero no hay un límite máximo de ella.
5. ( ) Paco indica que la temperatura a la cual hierve al agua al nivel del mar es
igual a 100 °C = 373 K.
6. ( ) Margarita afirma que el calor es energía en tránsito y siempre fluye de
cuerpos físicos u objetos de mayor temperatura a los de menor temperatura que
se encuentran en contacto térmico.
La dilatación térmica
Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los objetos, pues la mayoría de
ellos se dilatan al calentarse y se contraen si se enfrían. El agua y el hule
manifiestan un comportamiento contrario. Los gases se dilatan mucho más que los
líquidos y éstos más que los sólidos.
Dilatación lineal
Una barra de cualquier metal al ser calentada sufre un aumento en sus tres
dimensiones: largo, ancho y alto, por lo que su dilatación es cúbica. Sin embargo,
en los objetos sólidos, como alambres, varillas o barras, lo más importante es el
21
aumento de longitud que experimentan al elevarse la temperatura, es decir, su
dilatación lineal.
Algunos coeficientes de dilatación lineal de diferentes sustancias se citan en el
cuadro siguiente:
Cuadro 2.1 Coeficientes de dilatación lineal
Ejemplo:
A una temperatura de 15 °C una varilla de hierro tiene una longitud de 5 m. ¿Cuál
será la longitud al aumentar la temperatura a 25 °C?
Solución:
Datos Fórmula
a Fe = 11.7 X 10-6 °C-1 Lf = L0 [1 + a (Tf - T0)]
L0 = 5 m
T0 = 15 °C
Tf = 25 °C
Lf = ?
Sustitución y resultado:
Lf = 5 m [1 + 0.0000117 °C-1 (25 °C - 15 °C)]
= 5.000585
su dilatación es igual a:
Lf - L0 = 5.000585 m - 5 m
= 0.000585 m
22
EJERCICIO:
Un puente de acero de 100 m de largo a 8 °C, aumenta su temperatura a 24 °C.
¿Cuánto medirá su longitud?
Leyes de los gases
En este tema vamos a estudiar tres leyes:
 Ley de Boyle-Mariotte: el volumen de una cantidad fija de un gas mantenido
a temperatura constante es inversamente proporcional a la presión del
gas (Chang, R., 2006).
EJEMPLO
1.- Un globo inflado tiene un volumen de 0.549 L a nivel del mar (1 atm) y se deja
elevar a la altura de 6.6 km, donde la presión es de unos 0.40 atm. Considerando
que la temperatura permanece constante, ¿cuál es el volumen final del globo?
Primero analizamos los datos que tenemos:
V1 = 0.549 L
P1 = 1 atm
23
P2 = 0.40 atm
V2 = ?
Realizamos el despeje y procedemos a sustituir los datos del problema para
encontrar el volumen 2:
 Ley de Charles: el volumen de una cantidad fija de gas mantenida a presión
constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta del
gas (Chang, R., 2006).
EJEMPLO:
24
1.- El argón es un gas inerte usado en los tubos luminosos. En un experimento,
450 mL de gas se calientan de 23°C a 188°C a presión constante. ¿Cuál es el
volumen final?
Analizamos los datos que tenemos, procedemos a realizar el despeje y sustituir
los datos, aquí debemos resaltar que las temperaturas estén en la escala absoluta
(K):
V1 = 450 mL
T1 =23 + 273= 296 K
T2 = 188 + 273 = 461 K
V2 = ?
 Ley de Avogadro: a presión y temperatura constantes, el volumen de un
gas es directamente proporcional al número de moles del gas
presente (Chang, R., 2006).
25
1. - ¿Cuál es la masa de 9.88 L de CO2 en condiciones normales de volumen (1
mol = 22.4 L de cualquier gas.
Lo primero que tenemos que ver es que nos piden la masa del gas, por lo cual
primer tenemos que conocer los moles; eso lo conoceremos por la ley de
Avogadro.
Analizamos los datos con los que contamos, para proceder a despejar y sustituir
datos:
V1= 22.4 L
V2 = 9.88 L
n1 = 1 mol
n2 = ?
EJERCICIO:
A presión de 17 atm, 34 L de un gas a temperatura constante experimenta un
cambio ocupando un volumen de 15 L ¿Cuál será la presión que ejerce?
26
El calor específico (Calor específico o capacidad calorífica específica)
Por definición: el calor específico Ce de una sustancia es igual a la capacidad
calorífica C de dicha sustancia entre su masa m:
En términos prácticos, el calor específico se define como la cantidad de calor que
necesita un gramo de sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado.
TABLA DE CALORES ESPECIFICOS A PRESION CONSTANTE
27
EJERCICIO:
Hallar la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 100 g de cobre
desde 10 ºC a 100 ºC.
Aplicación de las leyes de la termodinámica
La termodinámica es la rama de la física que se encarga del estudio de la
transformación del calor en trabajo y viceversa. Su estudio se inició en el siglo
28
XVIII y sus principios se fundamentan en fenómenos comprobados
experimentalmente.
Es alguna porción de materia que separamos del resto del Universo por medio de
un límite o frontera con el propósito de poder estudiarlo:
Ley cero de la termodinámica
Esta ley nos explica que cuando un sistema se pone en contacto térmico con otros,
al transcurrir el tiempo la temperatura será la misma, porque se encontrarán en
equilibrio térmico. Otra forma de expresar la ley cero de la termodinámica es la
siguiente:
La temperatura es una propiedad que tiene cualquier sistema termodinámico y
existirá equilibrio térmico entre dos sistemas cualesquiera, si su temperatura es la
misma.
Primera ley de la termodinámica
Con el descubrimiento hecho por Joule acerca del equivalente mecánico del calor,
se demostró que la energía mecánica se convierte en energía térmica cuando por
fricción aumenta la energía interna de un cuerpo, y que la energía térmica se
puede convertir en energía mecánica si un gas encerrado en un cilindro se
expande y mueve un émbolo, con esto, ha sido posible establecer claramente la
ley de la conservación de la energía.
Esta ley, aplicada al calor, da como resultado el enunciado de la primera ley de la
termodinámica que dice: la variación en la energía interna de un sistema es igual a
la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo,
por lo que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Matemáticamente, la primera ley de la termodinámica se expresa
como:
DU = Q – W
Segunda ley de la termodinámica
29
La segunda ley de la termodinámica señala restricciones al decir que existe un
límite en la cantidad de trabajo, el cual es posible obtener a partir de un sistema
caliente.
Existen dos enunciados que definen la segunda ley de la termodinámica, uno del
físico alemán Rudolph J. E. Celsius: el calor no puede por sí mismo, sin la
intervención de un agenteexterno, pasar de un cuerpo frío a un cuerpo caliente. Y
otro del físico inglés William Thomson Kelvin: es imposible construir una máquina
térmica que transforme en trabajo todo el
calor que se le suministra.
2.2 Distingue las diferentes fuentes de energía y su aprovechamiento para la
sociedad, identificando las ventajas y desventajas en su producción y
almacenamiento.
Energía
La energía es una propiedad que caracteríza la interacción de los componentes de
un sistema físico que tiene la capacidad de realizar un trabajo. Es importante
señalar que la energía se manifiesta de diferentes formas , aún cuando no se crea
nada , ya que cuando hablamos de producir energía, en realidad nos referimos a
su transformación de una energía a otra, puesto que la energía no se crea ni se
destruye, solo se transforma.
La energía siempre ha estado estrechamente ligada con las actividades
cotidianas del ser humano, toda vez que el hombre primitivo realizaba sus y tareas
utiliando primero la energía de su cuerpo. Posteriormente , aprendio a domesticar
animales y a utiliar su energía para hacer más fáciles sus actividades. Más tarde ,
descubrió otras formas de energía y aprendió a usar la del viento para la
propulsión de sus barcos de vela; así como para aprovechar la energía de las
corrientes del agua al construir en los ríos,, molinos de granos.
Tipos de energía :
Existen varios tipos de energía como son:
1.Energía calorícaSe produce por la combustión de carbón, madera,petróleo,gas natural, gasolina y
otros combustibles.
2.Energía química
30
Se produce cuando las sustancias reaccionan entre sí alterando su constitución
íntima, como es el caso de la energía obtenida en los explosivos o en las pilas
eléctricas.
3.Energía hidráulica
Se aprovecha cuando la corriente de agua mueve un molino o la caída de agua
de una presa mueve una turbina.
4.Energía eólica
Es producida por el movimiento del aire y se aprovecha en los molinos de viento o
en los aerogeneradores de alta potencia para producir electricidad.
5.Energía radiante
Es la energía producida por ondas electromagnéticas que se caracterizan por su
propagación en el vacío a una velocidad aproximada de 300 000 km/s, tal es el
caso de las ondas de radio, los rayos gamma, rayos X, ultravioleta, infrarrojos o
luminosos.
6.Energía nuclear
Es la originada por la energía que mantiene unidas a las partículas en el núcleo
de los átomos, y que es liberada en forma de energía calorífica y radiante cuando
se produce una reacción de fusión, y es caracterizada por la unión de dos núcleos
ligeros, para formar uno mayor.O bien, cuando se produce una reacción de fisión
al desintegrarse el núcleo de un elemento de peso atómico elevado, como es el
caso del uranio, liberándose gran cantidad de energía que se utiliza para calentar
agua.
7.Energía mecánica
Es la que tienen los objetos cuando son capaces de interaccionar con el sistema
del cual forman parte, para realizar un trabajo. Se divide en energía cinética y
potencial.
8. Energía eléctrica
Se obtiene principalmente por medio de generadores eléctricos, pilas secas,
acumuladores y pilas solares. Se utiliza para producir un movimiento o flujo de
electrones a través de un material conductor.
31
La corriente eléctrica genera luz, calor y magnetismo.
Potencial Eléctrico
El potencial eléctrico en un punto del espacio es una magnitud escalar que nos
permite obtener una medida del campo eléctrico en dicho punto a través de
la energía potencial electrostática que adquiriría una carga si la situasemos en ese
punto.
Corriente eléctrica.
La corrirnte eléctrica es la razon entre la cantidad de carga que atraviesa la
sección transversal de un conductor y el tiempo. La unidad de la corriente
eléctrica en el sistema internacional es el ampere (A).
Conductividad eléctrica.
La conductividad eléctrica es la capacidad de la materia para permitir el flujo de la
corriente eléctrica a través de sus partículas. Dicha capacidad depende
directamente de la estructura atómica del material, así como de otros factores
físicos como la temperatura a la que se encuentre o el estado en la que esté
(líquido, sólido, gaseoso).
Actividad.
Anota una V en el paréntesis de la izquierda si el enunciado es verdadero y F si
es falso.
1. ( ) La energía se manifiesta de diferentes formas
2. ( ) La energía eléctrica se divide en energía cinética y potencial.
3. ( ) La energía mecánica es la que tienen los objetos cuando son capaces de
interaccionar con el sistema del cual forman parte, para realizar un trabajo.
4. ( ) La energía hidráulica se aprovecha cuando la corriente de agua mueve un
molino o la caída de agua de una presa mueve una turbina.
5. ( ) La energía química, es caracterízada por la unión de dos núcleos ligeros,
para formar uno mayor.
Recursos energéticos
https://www.fisicalab.com/apartado/intensidad-campo-electrico
https://www.fisicalab.com/apartado/energia-potencial-electrica
https://concepto.de/materia/
https://concepto.de/energia-electrica/
https://concepto.de/particulas-subatomicas/
https://concepto.de/estado-liquido/
https://concepto.de/estado-solido/
https://concepto.de/estado-gaseoso/
32
Casi toda la energía de que disponemos en la Tierra tiene su origen en el Sol. La
energía radiante del Sol se debe a las reacciones nucleares de fusión que se
produce en su interior. El Sol está compuesto, casi por completo, de hidrógeno,
cuyos átomos se fusionan produciendo helio. Durante dicho proceso se
desprenden enormes cantidades de energía.
El Sol hace que crezcan los árboles y las plantas que sirven para alimentar a los
animales. Todos ellos producen los restos orgánicos que, posteriormente, dan
lugar al carbón, petróleo y gas natural. Tambien el sol hace posible la vida en la
Tierra, al suministrar los recursos energéticos indispensables.
Actualmente, la energía que proviene del Sol se utiliza para la calefacción de agua
destinada al uso dómestico en casa y edificios. También se usa para el
funcionamiento de diversos tipos de motores eléctricos provistos de celdas solares
( dispositivos que transforman la energía luminosa en energía eléctrica). La
mayoría de los satélites artificiales utilizan las celdas solares para obtener la
electricidad que requieren sus aparatos de transmisión y recepción de señales de
radio. También hay relojes y calculadoras de bolsillo que funcionan con celdas
solares, gracias a la energía luminosa. En realidad, si fuera posible almacenarla
energía radiante que proporciona el Sol, en unas cuantas horas se tendría energía
suficiente para satisfacer las necesidades de todo el planeta durante el año.
Otra fuente de energía se encuentra en el subsuelo terrestre. En algunos lugares
es tan alta la temperatura cerca de la superficie que se producen chorros de agua
caliente y géiseres ( surtidores de agua caliente que brotan del suelo en forma
intermitente) . En varios países, como el nuestro, los fenómenos se aprovechan
para producir energía a partir de la llamada energía geotérmica.
La biomasa se obtiene de la materia orgánica derivada de los seres vivos, como
en los casos de la madera, la paja, los azúcares , las grasas , el alcohol, etc., que
se utilizan como materia prima para la fabricación de biocombustible. En este
sentido, se puede decir que de la biomasa se obtiene una de las fuentes más
antiguas sobre la Tierra.
Existen tres fuentes de biomasa :
a) Los desecos de los animales
b) Los residuos vegetales
c) Los cultivos específicos
Hoy día, la mayor cantidad de energía que utiliza la humanidad proviene de la
combustión de la materia , como el petróleo,diesel, gasolina, gas, carbón y leña. Al
quemar petróleo para obtener energía calorífica se desperdicia un valioso recurso
natural no renovable que , si no se cuida, se ira agotando y las generaciones
futuras no podrán utilizarlo para la fabricación de plásticos, fibras sintéticas y
nuevos productos. Asimismo, la combustión de la materia origina una peligrosa
contaminación ambiental, debido a las emanaciones de sustancias tóxicas para
33
los seres vivos . Además, las emanaciones de dióxido de carbono, están
produciendo un peligroso sobrecalentamiento de nuestro planeta, cuyas
consecuencias son, entre otras, el cambio climático que produce prolongadas
sequías, abundantes y peligrosas lluvías, nevadas, incendios forestales, etcétera.
Los automóviles no son el único problema, las industrias y plantas termoeléctricas
completan el panorama contribuyendo con sus propios contaminantes, como
vapores de disolventes, productos químicos, polvos de metales , cemento, entre
otros.
En la lucha contra la contaminación es importante la instalación de convertidores
catalíticos en los tubos de escape de los automóviles, para que transformen los
gases nocivos en otros no dañinos. En las industrias deben construirse torres de
lavado que eliminen humos y polvos. También deben tratarse las aguas residuales,
para volver a usarlas o evitar qu contaminen ríos y mares. Esto entre otros
sistemas anticontaminantes.
En la actualidad se investiga la manera de utilizar a gran escala y de forma
rentable la energía : solar, eólica , hidráulica, geotérmica y mecánica de los mares
( mareomotriz ).
Medios de generación de energía eléctrica
1.Centrales hidroeléctricas.
Se caracteriza porque no es contaminante y puede suministrar trabajo sin producir
residuos (rendimiento 80%).Toda central hidroeléctrica transforma la energía
potencial del agua acumulada en el embalse en energía eléctricaa través del
alternador.
En las tuberías, la energía potencial del agua se convierte en cinética. En las
turbinas, la energía cinética del agua se transforma en energía cinética de
rotación del eje de las turbinas, y por último en el alternador, la energía cinética
de rotación del eje se convierte en energía eléctrica.
Las partes principales de una central hidráulica son:
- Presa
- Toma de agua
- Canal de derivación
- Cámara de presión
34
- Tubería de presión
- Cámara de turbinas
- Canal de desagüe
- Parque de transformadores.
Figura2.2.1. Central Hidroeléctrica
Presa: Es la encargada de almacenar el agua y provocar una elevación de su
nivel que permita encauzarla para su utilización hidroeléctrica. También se emplea
para regular el caudal de agua que circula por el río y aumentar el potencial
hidráulico.
Todo dique debe permitir el escape del exceso de agua para evitar accidentes. El
excedente de agua se puede eliminar a través de un aliviadero (por debajo de la
cima de la presa), mediante un pozo de desagüe (interior del embalse) o por un
túnel de desagüe (bordeando el dique) .
Canal de derivación: Es un conducto que canaliza el agua desde el embalse.
Puede ser abierto (canal), como los que se construyen siguiendo la ladera de una
montaña, o cerrado (tubo), por medio de túneles excavados.
Las conducciones deben ser lo más rectas y lisas posibles para reducir al mínimo
las pérdidas por fricción, necesitando además un sistema para regular el caudal
(compuertas o válvulas) .Tiene menos pendiente que el cauce del río. Si el salto
es inferior a 15 m, el canal desemboca directamente en la cámara de turbinas. En
35
su origen dispone de una o varias tomas de agua protegidas por medio de rejillas
metálicas para evitar que se introduzcan cuerpos extraños
Cámara de presión: Es el punto de unión del canal de derivación con la tubería
de presión. En esta cámara se instala la chimenea de equilibrio. Este dispositivo
consiste en un depósito de compensación cuya misión es evitar las variaciones
bruscas de presión debidas a las fluctuaciones del caudal de agua provocadas por
la regulación de su entrada a la cámara de turbinas. Estas variaciones bruscas
son las que se conocen como golpe de ariete.
Tubería de presión: También llamada tubería forzada, se encarga de conducir el
agua hasta la cámara de turbinas. Las tuberías de este tipo se construyen de
diferentes materiales según la presión que han de soportar: palastro de acero,
cemento-amianto y hormigón armado
Cámara de turbinas: Es la zona donde se instalan las turbinas y los alternadores.
Además de las turbinas, existen otros dispositivos captadores: las ruedas
hidráulicas
La turbina es una máquina compuesta esencialmente por un rodete con álabes o
palas unidos a un eje central giratorio (velocidad de giro superior a 1000 r.p.m). Su
misión es transformar la energía cinética del agua en energía cinética de rotación
del eje. El alternador, cuyo eje es la prolongación del eje de la turbina, se encarga
de transformar la energía cinética de rotación de éste en energía eléctrica.
Canal de desagüe: Se encarga de devolver el agua utilizada en las turbinas hasta
el cauce del río. El agua sale a gran velocidad, por lo que se protege la salida y las
paredes laterales con refuerzos de hormigón para evitar la erosión, que podría
poner en peligro la propia presa.
Parque de transformadores: Para evitar pérdidas de energía en el transporte a
largas distancias, se hace necesario elevar la tensión a valores no inferiores a los
200 000 V. Este aumento de tensión se lleva a cabo en el parque de
transformadores.
Funcionamiento
Una presa sirve para contener el agua y formar tras de sí un embalse. El agua se
libera por los desagües, que fluye por las tuberías de conexión (canal de
derivación) hasta la sala de máquinas. A la entrada de la tubería, una serie de
rejillas regulan el caudal de agua y actúan como filtro, impidiendo que lleguen a las
turbinas elementos extraños. Al llegar a los grupos turbina-alternador el agua hace
girar la turbina cuyo eje es solidario al del alternador, produciéndose en los
36
terminales de éste una corriente eléctrica alterna de alta intensidad y tensión
relativamente baja que, mediante transformadores se convierte en corriente de
alta tensión e intensidad baja, lo más apropiado para su transporte. El agua se
transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas para
adecuar el flujo de agua por las turbinas con respecto a la demanda de
electricidad. El agua sale por los canales de descarga.
Se han diseñado turbinas que actúan como bombas cuando funcionan a la inversa,
invirtiendo el generador eléctrico para que funcione como un motor. Dado que no
es posible almacenar la energía eléctrica de forma económica, este tipo de
bombas turbina se utiliza para bombear agua hacia los embalses, aprovechando la
energía eléctrica generada por las centrales nucleares y térmicas durante las
horas de poco consumo. El agua embalsada se emplea de nuevo para generar
energía eléctrica durante las horas de consumo elevado (centrales de bombeo).
Actividad
Contesta las siguientes preguntas.
1. Menciona algunas caractaerísticas de una central hidroeléctrica
2. Enlista las partes principales de una central hidroeléctrica.
3. Explica brevemente el funcionamiento de una central hidroeléctrica.
2.Central Termoeléctrica
Las centrales termoeléctricas convencionales producen electricidad a partir de la
energía calorífica desprendida por la combustión del fuel-oil, carbón, gas natural,
etc. El combustible se quema en una caldera, y el calor producido se transmite al
agua, que se convierte en vapor a alta temperatura. Después de circular por una
serie de conductos, acciona las turbinas e impulsa sus álabes haciéndolos girar.
37
Dicho movimiento es transmitido al generador que, por los fenómenos de
electromagnetismo y de inducción, convierte la energía cinética del vapor de agua
en energía eléctrica.
Figura 2.2.2 Central Termoeléctrica
Los principales elementos de una central termoeléctrica son:
Combustible: el combustible, ya sea fuel-oil, gas o carbón, llega a la central
térmica desde los almacenamientos situados en los parques adyacentes a la
central.
En el caso del carbón, se conduce mediante cintas transportadoras al molino, para
su triturado. El carbón, una vez pulverizado, se mezcla con aire caliente y se
inyecta a presión en la caldera para su combustión. Si es de fuel-oil, se precalienta
para que fluidifique, antes de ser inyectado en los quemadores de la caldera.
Si es de gas, los quemadores estarán concebidos para quemar este tipo de
combustible.
Caldera: la caldera genera el vapor que accionará los cuerpos de las turbinas.
Después de accionar estas, el vapor se convierte en líquido en el condensador. El
agua obtenida por la condensación de vapor se somete a diversas etapas de
calentamiento, y se inyecta de nuevo en la caldera, en las condiciones de presión
y temperatura más adecuadas para obtener el máximo rendimiento del ciclo.
38
Calentadores: el agua que circula en un circuito cerrado se calienta
sucesivamente en el calentador y en el sobrecalentador, antes de ser enviada a la
turbina.
Chimenea: al objeto de minimizar los efectos de la combustión del carbón sobre el
medio ambiente, parte de los contaminantes son retenidos en el interior de la
propia central mediante los llamados precipitadores.
Torre de refrigeración: las torres de refrigeración tienen por misión trasladar a la
atmósfera el calor extraído del condensador, cuando el sistema de agua de
circulación que refrigera el condensador opera en circuito cerrado.
Turbinas: el rotor de la turbina de una central térmica se mueve solidariamente
con el rotor del generador, después de que el vapor haya accionado los álabes de
los cuerpos de las turbinas de alta presión, media presión y baja presión.
Alternador: en el generador es donde se produce la energía eléctrica, la cual es
transportada mediante líneas de transporte a alta tensión alos centros de
consumo.
Central termoélectrica ciclo combinado
En este tipo de centrales se utiliza el gas natural como combustible, y se
caracterizan porque combinan dos tipos de turbinas, una de gas, que funciona
debido a la combustión del gas natural y otra de vapor, que funciona a partir del
vapor de los gases generados en la combustión del gas natural. Es por ello que la
combustión del gas tiene dos finalidades, mover la turbina de gas y ser la fuente
de calor para el agua que mueve la turbina de vapor.
Actividad
Contesta lo siguiente:
1. Explica es funcionamiento de central termoélectrica convencional.
2. ¿Qué diferencias existen entre una central térmica convencional y una central
de ciclo combinado?
39
3. Central nucleoeléctrica
El elemento más importante de una central nuclear es: el reactor nuclear, que
sustituye a la caldera en una central eléctrica de combustibles fósiles. En él se da
el siguiente fenómeno: Un flujo de neutrones a alta velocidad divide en varios
fragmentos los núcleos atómicos, liberando la energía buscada.
Además, se liberan a su vez más neutrones muy energéticos, los cuales dividen a
otros núcleos, favoreciendo las reacciones nucleares en cadena, sin aparente
control. Para controlar el proceso, se deben “frenar” los neutrones, haciéndolos
chocar contra determinadas sustancias llamadas moderadores. La masa mínima
de combustible nuclear (U235) para producir la reacción nuclear se llama masa
crítica.
Dentro del edificio del reactor se encuentra la “vasija” o núcleo, donde se
introducen las barras del combustible nuclear en tubos de aleación de zirconio, y
en su interior se produce la reacción nuclear. La vasija es un gran depósito de
acero, recubierto en su interior por plomo para absorber las radiaciones nucleares.
Dentro del núcleo también se encuentra el material moderador (hidrógeno,
deuterio o carbono, cuya misión es frenar la velocidad de los neutrones, pues a las
velocidades que se liberan, unos 20000km/s es poco probable que otro átomo
absorba este neutrón) y las barras de control, que controlarán el número de
fisiones, pues absorben los neutrones (hechas de un material como el carburo de
boro, que absorbe neutrones).
Si las barras de control están introducidas totalmente en el núcleo, la absorción de
neutrones es total y no hay reacción nuclear, a medida que se van extrayendo
tales barras, aumentan las reacciones nucleares porque se absorben menos
neutrones. El reactor tiene a su vez un blindaje de hormigón de varios metros de
espesor.
El núcleo del reactor está rodeado por agua, la cual se calentará y transformará en
vapor para posteriormente, conducirlo a las turbinas que finalmente generan
energía eléctrica de una forma similar a la central térmica.
40
Figura 2.2.3 . Central nucleoeléctrica.
Partes principales de un reactor
Combustible: El más utilizado actualmente es el dióxido de uranio. Se
comprime en forma de pastillas (pellets) que se cargan en unos tubos estrechos,
de unos 3,7 m de longitud, que van montados unos al lado de otros en cilindros
para formar varillas de combustible para el reactor. Se inserta en unos tubos
(vainas) de aleación de zirconio (Zr) de aproximadamente 1 cm de diámetro.
(antiguamente eran de acero inoxidable)
Moderador: Material que se utiliza para frenar el movimiento de los neutrones,
pues se ha descubierto que es más probable que los neutrones de movimiento
lento causen fisión y hagan funcionar el reactor. El más corriente es el carbono
(grafito) o el agua o agua pesada.
Barras de regulación: Es necesario controlar el flujo de neutrones para
trabajar en condiciones de seguridad. Estas barras están hechas de un material
que absorbe neutrones (acero al boro, cadmio), con lo que se consigue disminuir
la velocidad de reacción introduciendo las barras, y aumentarla cuando éstas se
extraen.
Refrigerante: El calor producido por las reacciones de fisión se elimina
bombeando un refrigerante, como agua, entre los elementos combustibles
calientes. Después el fluido recalentado es conducido por una tubería desde el
centro hasta la caldera donde se calienta el agua para producir el vapor. Luego el
refrigerante vuelve al núcleo del reactor para recalentarse.
41
Escudo contra radiaciones: Es necesario un escudo muy grueso de acero y
cemento para evitar cualquier fuga de neutrones o de fragmentos radiactivos.
Tipos de reactores nucleares
Existen dos tipos de reactores:
Los reactores de investigación: utilizan los neutrones generados en la fisión para
producir radioisótopos, o bien para realizar diversos estudios en materiales.
Los reactores de potencia: estos reactores utilizan el calor generado en la fisión
para producir energía eléctrica, desalinización de agua de mar, calefacción, o bien
para sistemas de propulsión. Los dos tipos de reactores de potencia de mayor uso
en el mundo son los de agua a presión (PWR) y los de agua en ebullición (BWR)
Actividad.
Contesta las siguientes preguntas.
1. ¿De dodne procede la energía nuclear?
2. ¿Qué papel tienen las barras de cadmio en un reactor nuclear? Razona por qué
se introducen en el seno del reactor parar la central?
3. ¿ Cual es la diferencia entre el reactor de investigación y el reactor de potencia?
4. Enumera y explica las partes principales de un reactor nuclear
42
BIBLIOGRAFIA:
Pérez, H., (2017). Física 2, México Ciudad de México, Grupo editorial Patria.
Aulafacil.com. 2020. Leyes De Los Gases - Problemas De Química General Para
Universitarios. [online] Available at:
<https://www.aulafacil.com/cursos/quimica/problemas-de-quimica-general-para-
universitarios/leyes-de-los-gases-l40266> [Accessed 6 August 2020].
	1. Tabla de conversión de Pesos
	2. Tabla de conversión de Longitud
	3. Tabla de conversión de Volumen
	4. Tabla de conversión de Tiempo
	Problema 1: (ejemplo)
	Convertir 87 Kg a Libras
	Solución:
	Datos
	Desarrollo
	De Tabla 1: 
	1 Kg=2.2 Libras
	Paso 1. Se escribe la cantidad con la unidad de me
	Paso 2. Se anota el signo de multiplicación y una 
	87 Kg x 
	Paso 3. Considerar la equivalencia dada en “Datos”
	1 Kg=2.2 Libras
	la cual se puede escribir así: 2.2 Libras
	Paso 4. Al obtener el factor de conversión se hace
	87 Kg x 2.2 Libras = 191.4 Libras 
	Problema 2: (ejemplo)
	Convertir 115 Km/h a Millas/min
	Solución:
	Datos
	Desarrollo
	De Tabla 2: 
	1 Km=0.62137 Millas
	De Tabla 4:
	1 hora=60 minutos
	Paso 1. Se escribe la cantidad con las unidades de
	115 km/h
	Paso 2. En este ejemplo se convertirán dos magnitu
	Paso 3. Considerar las equivalencias dadas en “Dat
	1 Km=0.62137 Millas
	1 hora=60 minutos
	las cuales se pueden escribir así: 
	 0.62137 Millas ; 1 h
	Paso 4. Al obtener los factores de conversión s
	115 Km x 0.62137 Millas x 1 h = 1.19 Millas
	de donde 
	 s= vt 
	La velocidad es una magnitud escalar que expresa e
	Por tanto, el metro por segundo (m/s) y el kilómet
	Problema 3: (ejemplo)
	Una masa de 800 kg y otra de 500 kg se atraen en e
	Solución:
	Ejercicios:
	Resolver las siguientes conversiones de unidades
	1.13 m3 /h a Litros / s
	6. ¿A qué distancia se deben colocar dos cuerpos d
	Solución:
	Calor y temperatura
	La temperatura y el calor están muy ligados pero n
	Revisa con atención los siguientes ejemplos:
	1 caloría = 4.2 J
	Ejemplo:
	= 0.000585 m
	Leyes de los gases
	Potencial Eléctrico