Fundamentos de Física: Calor, Trabajo y Energía

1. Diferentes Tipos de Transmisión de Calor

1.1. Conducción

La energía se transporta debido a los choques entre partículas, pero sin que exista desplazamiento neto de materia.

1.2. Convección

La energía se propaga debido a la diferencia de densidad entre los fluidos calientes y fríos. En ella existe transporte de materia.

1.3. Radiación

Es la propagación de energía mediante ondas electromagnéticas que emiten todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura por encima del cero absoluto. En ella se transporta energía sin transporte de materia.

2. Diferencia entre Pares de Conceptos

2.1. Trabajo y Potencia

Trabajo: Se denomina trabajo cuando una fuerza (que se mide en Newtons) moviliza un cuerpo y libera la energía potencial del mismo.

Potencia: Es la cantidad de trabajo que se realiza por unidad de tiempo.

2.2. Energía Cinética y Energía Potencial

Energía cinética: Es la energía asociada a los cuerpos que se encuentran en movimiento. Depende de la masa y de la velocidad del cuerpo. Ec = ½ * m * v²

Energía potencial: Es la energía que tiene un cuerpo situado a una determinada altura sobre el suelo. Ep = m * g * h

2.3. Conducción y Convección

Conducción: Consiste en la transferencia de calor entre dos puntos de un cuerpo que se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia entre ellos.

Convección: Es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia.

2.4. Sublimación y Fusión

Sublimación: El paso directo del estado sólido al estado gaseoso sin pasar por el líquido.

Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor.

3. Cuerpo en un Plano Inclinado

Un cuerpo situado en lo alto de un plano inclinado 30º sobre la horizontal desciende por él con una aceleración de 1 m/s². Si su masa es de 100 kg.

b) El coeficiente de fricción cinética entre el bloque y el plano.

Σ FX = m a → WX - FR = m a (Ecuación 1)
Pero: WX = W sen 30º
WX = m g sen 30º → WX = 100 * 9,8 * 0,5 → WX = 490 Newton.
Σ FY = 0
N - WY = 0 → N = WY = W cos 30º
N = m g cos 30º → N = 100 * 9,8 * 0,866 → N = 848,7 Newton
FR = μ N → FR = μ 848,7
Reemplazando en la ecuación 1
WX - FR = m a (Ecuación 1)
490 - μ 848,7 = m a → 490 - μ 848,7 = 100 * 1 → 490 - μ 848,7 = 100
μ 848,7 = 490 - 100 → μ 848,7 = 390 → μ = 390/848,7 → μ = 0,46

4. Lanzamiento de un Cuerpo desde una Terraza

Desde lo alto de una terraza de 30 m lanzamos hacia abajo un cuerpo de masa 2 kg con una velocidad de 10 m/s. Calcular:

a)

Energía potencial: Ep = mgh → Ep = 2 kg * 10 m/s² * 30 m → Ep = 600 J
Energía cinética: Ec = ½mv² → Ec = ½ * 2 kg * 10 m/s² → Ec = 100 J
Energía mecánica: Em = Ep + Ec → Em = 600 J + 100 J → Em = 700 J que llega al suelo.

b) h = v₀t + ½gt² → ½gt² + v₀t - h = 0 → 5t² + 10t - 30 = 0 → t² + 2t - 6 = 0
Resolviendo por el método "completando el cuadrado":
t² + 2t = 6 → t² + 2t + 1 = 6 + 1 → (t + 1)² = 7 → t + 1 = ±√7

Tomando el signo positivo:
t = (-1 + √7) s

La velocidad:
v = v₀ + gt
Reemplazar el tiempo:
v = v₀ + g(-1 + √7) → v = 10 m/s + 10 m/s²(-1 + √7) s → v = 16,45 m/s

Energía potencial:
Ep = mgh → Ep = mg(0) → Ep = 0

Energía cinética:
Ek = ½mv²

La velocidad de (1):
Ek = ½ * 2 kg * (16,45)² m/s² → Ek = 270,6 J

Energía mecánica:
Em = Ep + Ek → Em = 0 + 270,6 J → Em = 270,6 J

c) v = 16,45 m/s

5. Calor y Equilibrio Térmico

Un recipiente contiene medio litro de agua a 25 ºC. Si el calor específico del agua es de 4180 J/(kg·K), calcula la cantidad de energía necesaria para llevar toda el agua a la temperatura de ebullición (100 ºC).

1 L/kg = 0,5 kg

Q = m·c_e·ΔT = 0.5 * 4180 * (100 - 25) = 156750 Julios

Si se mezclan en una cacerola medio litro de agua a 25 ºC con 2 litros más a 80 ºC ¿Cuál será la temperatura de la mezcla cuando se alcanza el equilibrio térmico?

m₁ * c₁ * (t₁ - t_equi) = m₂ * c₂ * (t_equi - t₂)

2 * 4180 * (80 - t_equi) = ½ * 4180 * (t_equi - 25)
2 (80 - t_equi) = ½ * (t_equi - 25)
160 - 2t_equi = ½ t_equi - 12,5
160 + 12,5 = 2t_equi + ½t_equi
172,5 = 2,5 t_equi
t_equi = 172,5 / 2,5 = 69 ºC

6. Gas en un Recipiente Cerrado

Un recipiente cerrado de 4 L contiene un gas a presión de 5 atm y una temperatura de 20 ºC ¿Cuál debe ser la temperatura para que la presión del gas se triplique? Si el volumen se duplica y la presión permanece constante, ¿cuál será la nueva temperatura?

Como se triplica sería 5 x 3 = 15

A)

5 / 20 = 15 / T2
5T2 = 20 * 15 = 300
T2 = 300 / 5 = 60 ºC

B)

4 / 20 = 8 / T2
4T2 = 20 * 8 = 160
T2 = 160 / 4 = 40 ºC