FISICA GENERAL

TRABAJO COLABORATIVO No. 3

Oscilaciones y termodinmica.

Director de CursoIng. Vctor Bohrquez

Tutor de CursoIng. Gustavo Antonio Meja

Curso100413_479

Abril 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNADESCUELAS DE CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGA E INGENIERA

FISICA GENERAL

TRABAJO COLABORATIVO No.3

Unidad 3 del curso: Oscilaciones y termodinmica

PRESENTADO POR:

FRANCISCO JAVIER REYES GONZALEZCODIGO: 93 404 336E mail: javiernice@hotmail.com

REINALDO FLOREZ TERNCdigo: 72211196E mail: reinaldo.florez@correo.policia.gov.co

Oriana Melissa Suarez GutirrezCdigo: 1065646886E mail: oriana-meli92@hotmail.com

JOHN ELKIN QUINTERO ROJASCDIGO: 1.102.813.009E mail: johnelkin87@hotmail.com

Curso100413_479

Mayo 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNADESCUELAS DE CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGA E INGENIERA

INTRODUCCION

Una onda es una perturbacin que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vaco. A pesar de la naturaleza diversa de las perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas tienen un comportamiento semejante.El calor en fsica se refiere a la transferencia de energa de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura.Por otro lado, se estudiar la manera de cuantificar el calor latente, de vaporizacin, de fusin, de combustin y sensible en los procesos fsicos, asimismo, se introducir el concepto de calor especfico. Por ltimo, se explicar la ley cero y la primera ley de la termodinmica y como a partir de ellas se caracterizan los procesos trmicos que involucren gases ideales.

OBJETIVOS

Relacionar las variables presin, volumen y temperatura, en un modelo de gas ideal bidimensional, as como la de conocer la interpretacin cintica de la presin y de la temperatura de un gas.

Aplicar los conceptos bsicos de movimiento oscilatorio, movimiento ondulatorio calor y termodinmica a problemas prcticos que involucren sistemas en donde se requieran aplicar en el anlisis del movimiento de las ondas, Estudio de transferencia de estado y la comprensin de los gases.

Temas: Movimiento Oscilatorio Movimiento Ondulatorio Temperatura Primera ley de la termodinmica Teora cintica de los gases.Desarrollo trabajo colaborativo no.3 (tem ii, iv,v,vi y vii)PUNTO 1(conceptos, Formulas, etc.)Tema 1: Movimiento oscilatorio (Serway & Jewett Jr., 2008) - (Reinaldo Flrez Tern)PROBLEMA 1: La posicin de una partcula se conoce por la expresin x = (4.00 m) cos (3.00 t + ), donde x est en metros y t en segundos. Determine: a) la frecuencia y periodo del movimiento, b) la amplitud del movimiento, c) la constante de fase y d) la posicin de la partcula en t =. 0.250 s.

Debemos primero tener claro algunas definiciones al respecto del movimiento oscilatorio:El movimiento oscilatorio: es un movimiento en torno a un punto de equilibrio estable. Este puede ser simple o completo. Los puntos de equilibrio mecnico son, en general, aquellos en los cuales la fuerza neta que acta sobre la partcula es cero. Si el equilibrio es estable, un desplazamiento de la partcula con respecto a la posicin de equilibrio (elongacin) da lugar a la aparicin de una fuerza restauradora que devolver la partcula hacia el punto de equilibrio. En trminos de la energa potencial, los puntos de equilibrio estable se corresponden con los mnimos de la misma.

El movimiento armnico simple constituye un ejemplo de movimiento oscilatorio. Se llama as al movimiento descrito por la ecuacin:

Dnde:x = Elongacint= TiempoA= amplitud o elongacin mxima=Frecuencia angular=Fase inicial- ngulo de fase

sta es la ecuacin general del M.A.S (Movimiento armnico Simple) necesario para realizar el ejercicio.Pasos para resolver el ejercicio: Identificamos la ecuacin del M.A.S. Reemplazamos trminos Empleamos las formulas: v = dx/dt = - A sen (t + )(velocidad derivada de la velocidad) a = dv/dt = dx/dt = - A cos (t + ) aceleracin = derivada de la velocidad

Tema 2: Movimiento ondulatorio (Serway & Jewett Jr., 2008)- Problemas tomados del libro de (Serway & Jewett Jr., 2008) - (Reinaldo Flrez Tern)PROBLEMA 10: Un cordn de telfono de 4.00 m de largo, que tiene una masa de 0.200 kg. Un pulso transversal se produce al sacudir un extremo del cordn tenso. El pulso hace cuatro viajes de atrs para adelante a lo largo del cordn en 0.800 s. Cul es la tensin del cordn?MOVIMIENTO ONDULATORIOProceso por el que se propaga energa de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas mecnicas o electromagnticas. En cualquier punto de la trayectoria de propagacin se produce un desplazamiento peridico, u oscilacin, alrededor de una posicin de equilibrio.Oscilacin: movimiento repetido de un lado a otro en torno a una posicin central, o posicin de equilibrio.

Formula V = (T/).T= la tensin de la cuerda. = Densidad lineal = kg / m

Si va y vuelve cuatro veces en 0.800 se en recorrer los 4.00 m por lo tanto su velocidad seria: V = 4.00 m / 0.800 s = 5 m/sCalculo densidad lineal = u = m/lM = masaL = longitudU = 0.200 kg / 4.00 m = 0.050 kg / mCalculo de la tensinDebido a que la tensin es una accin de fuerzas opuestas a que est sometido un cuerpo debe expresarse en NewtonT = v2 . T = (5 m/s)2 x 0.050 kg/mT = 25 m/s x 0.050 kg / m = 1.25 Newton.La tensin de la cuerda seria de 1.25 Newton.

Tema 3: Temperatura (Serway & Jewett Jr., 2008) - (Oriana Melissa Suarez Gutirrez)

PROBLEMA15: Un recipiente de 8.00 L contiene gas a una temperatura de 20.0C y una presin de 9.00 atm. a) Determine el nmero de moles de gas en el recipiente. b) Cuntas molculas hay en el recipiente?Para determinar el nmero de molculas de un gas utilizamos la ecuacin de estado de los gases ideales. Pv= nrtDnde: p= presin del gas v= volumen del gas n= nmero de moles del gas r= constante de los gases ideales con valor de 0.082 t= temperatura absoluta

De esta frmula despejamos la incgnita del nmero de mol quedndonos de la siguiente manera:

N=

Una vez obtenida la formula anterior procedemos a reemplazar por los valores que nos dan en el problema teniendo en cuenta las unidades respectivas para cada valor es decir la unidad de volumen es litro, la unidad de temperatura es grado kelvin, y el valor de la presin es atmosfera.

Como en este problema la temperatura no las da en grado centgrados y debemos hacer la conversin a grados kelvin usando la siguiente formula k= C + 273

Para la parte b se tiene en cuenta que un mol de una molcula contiene 6,02 x1023 molculas y al conocer el nmero de moles que tiene ese gas podemos determinar a partir de esta relacin el nmero de molculas que contiene dicho gas.

Tema 4: Primera ley de la termodinmica (Serway & Jewett Jr., 2008).- (John Elkin Quintero Rojas)PROBLEMA 19: Cunta energa se requiere para cambiar un cubo de hielo de 40.0 g de hielo a -10.0C a vapor a 110C?La primera ley de la termodinmica afirma que la energa no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinmico, el calor cedido por el sistema ser igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo.Igualmente, la primera ley de la termodinmica establece que, cuando un sistema se somete a un cambio de un estado a otro, el cambio en su energa interna es:Eint= Q W Donde Q es la energa transferida al sistema por calor y W es el trabajo consumido en el sistema. Aunque Q y W dependen de la trayectoria tomada del estado inicial al estado final, la cantidad E int no depende de la trayectoria.La energa Q que se requiere para cambiar la temperatura de una masa m de una sustancia en una cantidad T esQ = mc TDonde c es el calor especfico de la sustancia. La energa requerida para cambiar la fase de una sustancia pura de masa m es:Q = mLDonde Les el calor latente de la sustancia y depende de la naturaleza del cambio de fase y la sustancia. El signo positivo se usa si la energa entra al sistema y el signo negativo se usa si la energa sale del sistema.

Tema 5: Teora cintica de los gases (Serway & Jewett Jr., 2008) (Francisco Javier Reyes Gonzlez)28. Quince partculas idnticas tienen diferentes magnitudes de velocidad: una tiene una magnitud de velocidad de 2.00 m/s, dos tienen magnitudes de velocidad de 3.00 m/s, tres tienen magnitudes de velocidad de 5.00 m/s, cuatro tienen magnitudes de velocidad de 7.00 m/s, tres tienen magnitudes de velocidad de 9.00 m/s y dos tienen magnitudes de velocidad de 12.0 m/s. Encuentre a) la rapidez promedio, b) la rapidez rms y c) la rapidez ms probable de estas partculas.Conceptos Distribucin de velocidades moleculares

Si N es el nmero total de molculas, entonces en nmero de molculas con velocidades entre v y v + dv es dN = Nvdv. Este nmero tambin es igual al rea del rectngulo sombreado en la figura:

La expresin fundamental que describe la distribucin ms probable de velocidades de N molculas de gas es:

Como se indica en la figura, la velocidad promedio, es un poco menor que la velocidad rms. La velocidad ms probable, vmp, es la velocidad a la cual la curva de distribucin alcanza un mximo. Utilizando la ecuacin anterior encontramos que

Rapidez media cuadrtica (rms): La raz cuadrada de se conoce como velocidad cuadrtica media de las molculas (rms, por sus siglas en ingls).

Para la velocidad rms tenemos:

Rapidez promedio:

Rapidez probable de las molculas en un gas:

La ley de distribucin de Maxwell-Boltzmann muestra que la distribucin de velocidades moleculares de un gas depende de la masa as como de la temperatura.

PUNTO 2Solucin al tem iv. Grupal: Continuando con la solucin a los problemas, escoger el segundo problema de los 5 que seleccion el grupo, el grupo de forma colaborativa deber usar su propia inventiva y proponer un problema similar (puede ser un ejercicio con una temtica similar, cambiar valores iniciales, etc, apoyarse con el tutor). Los estudiantes deben dar solucin al problema creado y entregar los pasos detallados de dicha solucin, la solucin ira en el mismo documento del resumen grupal.

Ejercicio del tema: TemperaturaUn recipiente de 8.00 L contiene gas a una temperatura de 20.0C y una presin de 9.00 atm. a) Determine el nmero de moles de gas en el recipiente. b) Cuntas molculas hay en el recipiente?

Datos:

V= 8,00 LT= 20 c k= 20c + 273 = 293kP= 9 atm n= ?

n= 29,96 molR/. Para la parte b se tiene en cuenta que un mol de una molcula contiene 6,02 x1023 molculas y al conocer el nmero de moles que tiene ese gas podemos determinar a partir de esta relacin el nmero de molculas que contiene dicho gas.

b) 29,96 mol gas x = 1,8 x molcula gas# Molculas = 1,8 x s

R/. En el recipiente hay 1,8 x

PUNTO 3Solucin al tem v. (Grupal: Continuando con la solucin a los problemas, escoger el tercer problema de los 5 que seleccion el grupo; el grupo de forma colaborativa entrega la solucin detallada a este problema, dicha solucin debe ir en el mismo documento del resumen grupal.)Ejercicio del tema: Primera ley de la termodinmica19. Cunta energa se requiere para cambiar un cubo de hielo de 40.0 g de hielo a -10.0C a vapor a 110C?1.- Aumentar la temperatura de -10C hasta 0 C que es la temperatura en la cual el hielo pasa a estado lquido, se calcula de la siguiente forma

Q= m . c . (T f - T i) Q= cantidad de calor (energa) requerida c = calor especifico, en este caso del hielo = 0.55 cal/gr C Tf = temperatura final = 0 C Ti = temperatura inicial = -10C m = masa

Q = 40g . 0.55 . (0 - -10) Q = 220 caloras

2.- El segundo paso es pasar este hielo a agua (no hay variacin de temperatura, es constante)

Q= m.cl Q = energa m= masa cl = calor latente, en este caso calor latente de fusin, que es el cambio de solido a liquido. el calor latente de fusin vale 80 cal/gr

Q = 40 g . 80 cal/gr Q = 3200 caloras

3.-El tercer paso es aumentar la temperatura de 0C a 100C que es la temperatura donde el agua pasa de lquido a gas

Q = m.c.(Tf - Ti) Q = cantidad de calor c = calor especifico del agua = 1 cal/ gr . C Tf = temperatura final = 100C Ti = temperatura inicial = 0 C

Q = 40gr . 1 . (100 - 0) Q = 4000 caloras

4.- el cuarto paso es pasar de lquido a vapor:

Q = m . cl cl = calor latente de vaporizacin = 540 cal/gr Q = 40 . 540 Q = 21600 caloras

5.- Paso quinto es elevar la temperatura de 100C a 110C

Q = m . c . (Tf - Ti) Donde c es el calor especifico del vapor de agua que vale 0.482 cal/ gr . C

Q = 40 . 0.482 . (110 - 100) Q = 192.8 cal :p

Finalmente se suman todas las caloras y se obtiene la energa necesaria en este caso:

Q TOTAL = 29.212, 8 caloras

R/. Para cambiar un cubo de hielo de 40.0 g de hielo a -10.0C a vapor a 110C se requiere 29.212,8 Caloras.

PUNTO 4Solucin al tem vi. (Grupal: Continuando con la solucin a los problemas, escoger el cuatro problema de los 5 que seleccion el grupo, dar solucin a este problema de forma colaborativa y crear un cuestionario de tres preguntas de opcin mltiple con nica respuesta, marcando la respuesta correcta claro. Este cuestionario debe ir en el mismo documento del resumen grupal.)Cuestionario: Tema 4: Primera ley de la termodinmicaResponder las siguientes preguntas de seleccin mltiple con nica respuesta, por favor seleccione una respuesta.Pregunta 1: Un gas se expande isotrmica y reversiblemente desde 3.2 hasta 14 litros, a 45 C. Si se tienen 7.1 moles de gas, el trabajo realizado por el gas, en Joules, es: R = 8.314 J/(mol.K)a) 2214 jb) 8424 jc) 4251 jd) 27718 j Respuesta correcta: D Pregunta 2: En todo proceso cclico, se ha observado de manera experimental, que el calor total intercambiado es igual al trabajo neto producido. Esta afirmacin es otra forma de enunciar.a) La segunda ley de la termodinmica.b) Que la temperatura est aumentando.c) La ley cero de la termodinmica.d) La primera ley de la termodinmica.Respuesta correcta: D Pregunta 3: En el interior de un recipiente rgido se encuentra un gas a -7 C y 150 Kpa. Si el gas se calienta hasta 14 C, la presin final del gas es de:a) 161.84b) 104.3c) 125.8d) 110.3

Respuesta correcta: A

PUNTO 5Solucin al tem vii. (Grupal: Continuado con la solucin a los problemas, escoger el quinto problema de los 5 que seleccion el grupo, este problema los resolver cada participante de forma individual, posteriormente debern comparar las soluciones con sus compaeros de forma que se pueda verificar las similitudes y diferencias en el procedimiento, finalmente entregar una nica solucin en consenso grupal. Las comparaciones y la solucin final la deben entregar en el mismo documento del resumen grupal.)Problema 28: Quince partculas idnticas tienen diferentes magnitudes de velocidad: una tiene una magnitud de velocidad de 2.00 m/s, dos tienen magnitudes de velocidad de 3.00 m/s, tres tienen magnitudes de velocidad de 5.00 m/s, cuatro tienen magnitudes de velocidad de 7.00 m/s, tres tienen magnitudes de velocidad de 9.00 m/s y dos tienen magnitudes de velocidad de 12.0 m/s. Encuentre a) la rapidez promedio, b) la rapidez rms y c) la rapidez ms probable de estas partculas.

Datos: partculasm/s

12,00

23,00

35,00

47,00

39,00

212,00

a) la rapidez promedio: v promedio: R/.

b) la rapidez rms:R/.

c) la rapidez ms probable de estas partculas.R/. Entonces : una tiene una magnitud de velocidad de 2.00 m/s, dos tienen magnitudes de velocidad de 3.00 m/s, tres tienen magnitudes de velocidad de 5.00 m/s, cuatro tienen magnitudes de velocidad de 7.00 m/s, tres tienen magnitudes de velocidad de 9.00 m/s y dos tienen magnitudes de velocidad de 12.0 m/s.Como podemos ver todas tienen diferentes magnitudes de velocidad. Por tanto, la rapidez ms probable mp es 7.00 m/s. por qu son las que tiene 4 partculas.

Propuesta de otro ejercicio similar aplicando las formulas:Magnitudes de velocidad moleculares en gas nitrgeno.Datos: La temperatura en este caso es de 25 C o 298,15 K, y el nitrgeno molecular (N2) tiene una masa molar M de 28 g/mol o de 0,028 kg/mol Calcule: a. Encuentre la rapidez promediob. la rapidez rmsR puede expresarse como 8,314 J/mol-K = 8,314 N-m/mol-K= 8,314 kg-m2/s2-mol-K. y la velocidad rms ser: Para la velocidad rms tenemos:

R/. La rapidez rms es de 515 m/s es una velocidad tpica para el nitrgeno a esa temperatura

Rapidez promedio:

R/. La rapidez promedio es de 474.8 m/s.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/maxwell/maxwell.html#Distribucin de las velocidades de las molculas

CONCLUSION

La temperatura desempea un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos.Se han desarrollado leyes empricas que relacionan las variables macroscpicas. En los gases ideales, estas variables incluyen la presin (p), el volumen (V) y la temperatura (T). La Ley de Boyle-Mariotte afirma que el volumen de un gas a temperatura constante es inversamente proporcional a la presin (Proceso Isotrmico). La Ley de Charles y Gay-Lussac afirma que el volumen de un gas a presin constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta (Proceso Isobrico).La combinacin de estas dos leyes proporciona la Ley de los Gases Ideales pV = nRT (n es el nmero de moles), tambin llamada Ecuacin de Estado del Gas Ideal. La constante de la derecha, R, es una constante universal cuyo descubrimiento fue una piedra angular de la ciencia moderna.

BIBLIOGRAFIA

Mdulo 100413 FISICA GENERAL Autor Diego Alejandro Torres Galindo, Universidad Nacional Abierta Y A Distancia Unad Escuela De Ciencias Bsicas, Tecnologa E Ingeniera. - BOGOT, NOVIEMBRE DE 2012.

Modulo qumica general 201102 autor DANILO LUSBIN ARIZA RUA UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGA E INGENIERA PROGRAMA CIENCIAS BSICAS 201102 QUMICA GENERAL

Cibergrafa

Serway, R. A., & Jewett Jr., J. W. (2008). Fsica para ciencias e ingenieras Vol. 1 (p. 723). Retrieved from http://unad.libricentro.com/libro.php?libroId=323#

Emulador de Graficas punto 5.http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/maxwell/maxwell.html#Distribucin de las velocidades de las molculasCambios de estadohttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/estados/estados1.htmGaseshttp://www.cespro.com/Materias/MatContenidos/Contquimica/QUIMICA_INORGANICA/gases.htmGases y Leyes de los gaseshttp://www.educaplus.org/gases/gasideal.html ingresar a los conceptos, leyes, etc. Del men de la izquierda

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