trabajo de fisica
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Lic. Fis. John Cubas Sánchez
Lina Paola Carmona Benito
Código: 2012104706
Universidad Alas Peruanas
Dirección de Educación a
Distancia
Trabajo Académico de Física II
TRABAJO ACADEMICO - FISICA II
1. Conceptos básicos: (2 puntos)Realice un cuadro comparativo entre calor y temperatura; elija Ud. libremente sus criterios de comparación.
CALOR TEMPERATURA
Es una forma de Energía que se transfiere
Es una magnitud física escalar que indica que tan caliente o fría es una sustancia respecto a un patrón
El Calor no es energía almacenable La temperatura mide el grado de
agitación de las moléculas de los cuerpos
Se transfiere de los cuerpos que están a una temperatura elevada hacia los que tiene una temperatura más baja
Cuando dos cuerpos están en contacto térmico, estos alcanzan la misma temperatura, a lo que se le llama como equilibrio térmico
Es causa de las dilataciones de los cuerpos.
Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia y si se trata de un gas, su presión varía.
2. Investigación bibliográfica: (3 puntos)Responda las siguientes preguntas:
a. ¿En qué se diferencia la fuerza de cohesión de las fuerzas de adhesión?
Las dos fuerzas tienen como objetivo la unión, pero la principal diferencia es que las fuerzas de cohesión son fuerzas que tienen lugar dentro de una sola molécula dentro del mismo cuerpo y las de adhesión se producen entre moléculas superficiales de distintas sustancias que están en contacto.
b. Compare los métodos que utilizan un submarino y un pez para emerger o sumergirse en el agua.
Los cuerpos sumergidos en un fluido, debido a su peso tienden a sumergirse y a su vez los líquidos ejercen una fuerza hacia arriba llamada Fuerza de Empuje.
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El Principio de Arquímedes dice que “todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba equivalente al peso de fluido que desaloja”.
De lo anterior deducimos lo siguiente:
Los cuerpos que flotan tienen una densidad menor a la del líquido. Los cuerpos que se sumergen tienen una densidad mayor a la del líquido.
A continuación se detalla un comparativo entre los métodos que utilizan los peces y submarinos para sumergirse y emerger y así demostrar que ambos utilizan el mismo método.
SUBMARINO PEZ
¿Cómo se sumergen?
Contiene tanques de lastre, que permiten variar su densidad para lo cual se llenan de agua.Al momento de sumergirse las compuertas de estos tanques se abren permitiendo que ingrese el agua, aumentando la densidad del submarino.
Poseen un órgano, llamado Vejiga Natatoria que les permite regular su densidad de modo que cambia su peso y así pueden subir o bajar.Este órgano es una bolsa llena de gas que utiliza un complejo sistema de intercambio gaseoso con la sangre que permite al pez sumergirse o emerger.Cuando expulsa gases por compresión muscular, esta se llena de sangre lo que hace que aumente la densidad del pez y así pueda sumergir.
¿Cómo emergen?
Al momento de emerger se abren las válvulas del tanque de compresión, permitiendo que el aire comprimido se libere, obligando al agua contenida en el tanque de lastre a salir, disminuyendo la densidad del agua.
Al momento de emerger, la vejiga natatoria expulsa la sangre y nuevamente se llena de gases, lo que hace que la densidad del pez disminuya y así pueda emerger.
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c. Describa el procedimiento de ¿cómo con un esfigmomanómetro se puede medir la relación entre la presión sistólica y diastólica en el ser humano?
El esfigmomanómetro o tensiómetro es un aparato que permite medir la presión diastólica y sistólica, para explicar este procedimiento es importante recordar que cuando late el corazón, este órgano básicamente realiza dos movimientos uno en el que se comprime e impulsa la sangre a alta velocidad y mayor presión por el cuerpo que es la que llamamos presión sistólica y otra cuando el corazón se relaja que es cuando se registra la menor presión llamada diastólica, es decir que a todo momento mientras el corazón bombea sangre mantiene sometidos a presión a venas y arterias.
Ahora si podemos explicar cómo funciona el esfigmomanómetro:
Funciona con una bomba de aire, una válvula de escape y un sensor de presión.
En primer lugar, por medio de la bomba de aire se aumenta la presión en el brazalete logrando así colapsar la arteria humeral e impidiendo el flujo de sangre por ella, es en este momento donde la presión del brazalete es superior a la presión arterial.
En segundo lugar se procede a liberar el aire por medio de la válvula de escape, para ir disminuyendo poco a poco la presión del brazalete, es justo en este momento que se empieza a sentir pulso bajo el brazalete, lo que indica que la sangre comienza a fluir nuevamente por la arteria y en el sensor de presión hay una ligera variación (sube y baja un poco) la aguja indicadora. Ese es el punto donde la presión del brazalete es equivalente a la presión sistólica (ventricular), al seguir bajando la presión y observar otra variación en la indicación de la aguja (y dejar de sentir los pulsos bajo el brazalete) se determina la presión diastólica del corazón.
La sangre tiene una densidad de 1.04 g/cm³, muy cercana a la del agua que es de 1.00 g/cm³, por lo que podemos hablar del sistema circulatorio como un sistema hidráulico donde las venas y las arterias son similares a mangueras. Como sucede con cualquier circuito hidráulico, la presión en el sistema circulatorio varía a través del cuerpo, la acción de la gravedad es muy notoria en las arterias donde la presión varía de un punto a otro.
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El día miércoles 5 de octubre del 2011 el instituto de la Ingeniería de España, publica en su Sección elaborada con el patrocinio del Grupo AMIC denominada “Tendencias de la Ingeniería” el siguiente artículo:
Crean un nuevo material fino como el papel y duro como el diamanteElaborado con grafeno oxidado, puede añadirse a polímeros, cerámicas o metales
Un nuevo material, tan fino como el papel y tan duro como el diamante, ha sido creado por ingenieros norteamericanos mediante la oxidación del grafeno. Han descubierto que grandes cantidades de grafeno oxidado pueden utilizarse para construir una especie de hoja de papel que es más rígida y sólida que cualquier otro material del mismo espesor. Puede convertirse en aislante o transmisor de electricidad y añadirse a polímeros, cerámicas o metales Por Olga Castro-Perea.
2. Situación problemática: (5 puntos)
En base a este descubrimiento responda las siguientes interrogantes:
a. Realice una representación gráfica de la estructura molecular del grafeno.
El grafeno consiste en una única y finísima lámina constituida por una red bidimensional de un sólo átomo de grosor lo que le otorga unas propiedades espectaculares.
b. ¿Por qué hasta el año 2004 no se creía posible su existencia como entidad aislada?
Ha sido empleado durante las últimas décadas como modelo teórico de estudio de diversos materiales grafíticos, permitiendo explicar muchas de sus propiedades. A pesar de esto, hasta el año 2004 no se creía posible su existencia como entidad aislada, ya que se suponía que los cristales estrictamente bidimensionales eran termodinámicamente inestables. Esta inestabilidad sería debida a una contribución divergente de las fluctuaciones
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térmicas en redes cristalinas de baja dimensionalidad que teóricamente produciría desplazamientos atómicos comparables a las distancias interatómicas a cualquier temperatura finita, dando lugar a la desintegración del cristal.
Numerosas pruebas experimentales apoyaban esta hipótesis, entre ellas el hallazgo de que la temperatura de fusión de láminas delgadas decrece rápidamente al disminuir su espesor, lo que provoca que el filme se vuelva inestable para grosores correspondientes a aproximadamente una docena de monocapas.
c. ¿Qué relación existe entre el grafeno y el grafito?
El nombre de el grafeno proviene de GRAFITO + ENO, porque se trata de una sola de las laminas que forman el grafito y es el componente estructural básico del grafito.
De lo anterior mencionado se puede deducir que la relación existente entre el grafeno y el grafito esta en la estructura molecular ya que el grafito son varias capas de grafeno, montadas unas sobre otras.
d. ¿El grafeno, es un metal o no metal, o ninguno de los dos? Explique.
El grafeno es un material fuera de lo común, que sus propiedades electrónicas lo sitúan entre los metales y semiconductores.
e. Indique los siguientes indicadores correspondientes al grafeno: conductividad térmica, resistencia a la tracción, módulo de Young y transmisividad óptica, e indique en una tabla que tipo de propiedades le brindan estos valores.
INDICADORES - VALORES PROPIEDADES
Conductividad térmica Alta conductividad térmica y eléctrica
Resistencia a la tracción Resistencia (200 veces mayor que la del acero)
Modulo de Young Alta elasticidad y dureza
Transmisión óptica Es un material delgado, casi
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transparente
f. Indique qué métodos existen para la obtención del grafeno, y compárelos por su eficiencia.
- Exfoliación micromecánica: El grafeno fue obtenido por primera vez en el 2004, mediante exfoliación micromecánica.Exfoliación es la separación de la capa más externa de un sólido en laminillas. La técnica de exfoliación micromecánica consiste en lo siguiente: a la superficie limpia, nueva, tersa de un cristal de grafito, se le somete a un raspado fino, de arriba abajo, mediante el empleo de cualquier objeto de superficie solida, o bien, al descascaramiento repetido utilizando cinta adhesiva con el propósito de extraer hojuelas extremadamente delgadas unidas a estos objetos.
- Exfoliación Química: Los primeros intentos por aislar el grafeno se concentraron en la aplicación de la técnica de exfoliación química, que consiste en insertar, intercalándolos, moléculas o átomos en la masa del grafito, de tal manera que los planos de grafeno puedan ser separaos en capas unidos a las moléculas o átomos insertados. Generalmente lo que se obtiene es grafito, pero si la molécula insertada en los planos atómicos del grafico es grande y proporciona una separación mayor, los componentes resultantes son capas de grafeno unidas a la capa de grafito formando un lecho o cama, aunque la probabilidad de éxito de que así ocurra es baja. Después, mediante una reacción química, se separan los átomos o moléculas que se insertaron obteniéndose unos sedimentos consistentes de residuos y hojas de grafeno enrollados.
- Nanotubos de Carbono: Se ha intentado cultivar grafeno usando el mismo procedimiento empleado para el crecimiento de nanotubos de carbono, pero solo se han producido películas de grafito de más de cien capas de grosor.
- Deposición Química de Vapor: Este método produce grafeno de monocapa o de pocas capas pero no se ha caracterizado suficientemente, sin embargo, en este método se centran hoy día grandes expectativas de aplicación electrónica.
- Método de producción masiva de grafeno: Investigadores del Rensselaer Polytechnic Institute han desarrollado un nuevo método simple para producir grandes cantidades de grafeno. La nueva técnica funciona a
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temperatura ambiente, necesita poco procesamiento y allana el camino para la producción masiva y rentable de grafeno.Sumergiendo grafito en una mezcla de ácido orgánico diluido, alcohol, y agua, y luego exponiéndolo al sonido ultrasónico, el equipo descubrió que el ácido actúa como una “cuñamolecular”, que separa hojas de grafeno del grafito padre. El proceso resulta en la creación de grandes cantidades de grafeno intacto y de alta calidad disperso en el agua.
Comparación de métodos de obtención de Grafeno
Teniendo en cuenta la eficiencia de los métodos de obtención de grafeno mencionados anteriormente se puede decir que el método de exfoliación micromecanica es de gran utilidad para cubrir las necesidades a nivel laboratorio, pero definitivamente a mi criterio personal el método de producción masiva de grafeno que desarrollaron los investigadores del Rensselaer Polytechnic Institute es el más eficiente que se haya podido crear hasta la fecha ya que de esta manera el grafeno se puede utilizar en grandes escalas de producción industrial.
g. Indique ¿qué aplicaciones se le atribuye al grafeno en la industria?
- Pantallas “OLED”: ya se fabrican en pantallas DELL y SAMSUNG, próximamente en celulares
- Procesadores:
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- Memristor: En Corea del Sur se hacen experimentos para crear una memoria de oxido de grafeno, se estima que HP las lanzará en 2013.
- Materiales electrónicos:
- Energía:Científicos de la Universidad de Northwesternen Estados Unido han creado un electrodo para las baterías de ión de litio que permite que las baterías conserven la carga hasta diez veces más que la tecnología actual.
- Blindaje:El grafeno es considerado el material más duro del mundo.
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- Aeronáutica:Los aditivos de combustible fabricados con partículas minúsculas de grafeno podrían lograr que los aviones supersónicos vuelen aun más rápido y que sus motores lleguen a contar con mejores condiciones de eficiencia y protección del medio ambiente.
- Detectores y Sensores:Si una molécula de gas entra en contacto con el grafeno, éste sufre un cambio en la resistencia eléctrica. El grafeno es muy sensible al cambio y puede detectar moléculas individuales de gas.
h. En base a su investigación, ¿está el Perú en la capacidad de producir este tipo de material?
Si se habla de producir pequeñas cantidades usadas para experimentos a nivel de laboratorios, el Perú si estaría en la capacidad; pero si hablamos de producir grafeno a grandes escalas para ser utilizado en la gran industria, el Perú no estaría en la capacidad, ya que aún es un país subdesarrollado, además que las principales empresas productoras de grafeno están en países como España y Estados Unidos.En conclusión, Perú sería un muy buen consumidor e importador de este producto pero para producir aun estamos un poco lejos de eso, por el momento quizá el Perú pueda ser un “líder importador a nivel mundial de una tecnología de futuro”.
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3. El motor de hidrógeno: (10 puntos)
Frente a los actuales motores de combustión interna se están proponiendo nuevos modelos más potentes y menos contaminantes que puedan a un futuro cercano reemplazarlos, una de las propuestas es el motor que utiliza como sustancia de trabajo el hidrógeno; respecto a esta propuesta desarrolle las siguientes interrogantes: a. Elabore un diagrama de flujo de los procesos de funcionamiento del motor.
b. Investigue los materiales de revestimiento del motor, e indique sus módulos elásticos.
Existen varios tipos de materiales que se usan como revestimiento del motor, depende de la marca, por ejemplo: la BMV utilizó como revestimiento el platino que actúa como catalizador e induce al hidrogeno a quebrarse entre protones y electrones.
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Tanque de Almacenamiento de Combustible
Pila de Combustible
Envía
Hidrogeno
A la
Combina el Hidrogeno con el Oxigeno y lo transforma en
Energía
Que Impulsa al Vehículo
Otros materiales que también son usados para el revestimiento del motor, son el aluminio, el cobre.
Módulos de Elasticidad:
Nombre Modulo de Young
Coeficiente de Poisson
Modulo de
Torsión
Modulo de compresibilidad
Platino 16,7 0,38 - -
Aluminio 6,8 0,34 2,5 7,5
Cobre 10,8 0,35 4,3 14
c. Realice un cálculo estimado de los esfuerzos máximos que soportan los materiales componentes de revestimiento del motor.
Esfuerzo= Modulo de Young Coeficiente de Poisson
Esfuerzoaluminio= 6,8 Pa = 20 0,34
Esfuerzoplatino= 16,7 Pa = 43,95 0,38
Esfuerzocobre= 10,8 Pa = 30,86 0,35
d. Analice las propiedades térmicas y moleculares de la sustancia de trabajo que usa el motor.
La sustancia de trabajo que usa el motor es el HIDROGENO.El hidrógeno común tiene un peso molecular de 2.01594. El gas tiene una densidad de 0.071 g/l a 0ºC y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del aire, es de 0.0695. El hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas las que se conocen.El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Muchos metales absorben hidrógeno, la absorción del hidrógeno en el acero
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puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos.
A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy reactivo.
Aunque por lo general es diatómico, el hidrógeno molecular se disocia a temperaturas elevadas en átomos libres. El hidrógeno atómico es un agente reductor poderoso, aun a la temperatura ambiente. Reacciona con los óxidos y los cloruros de muchos metales, entre ellos la plata, el cobre, el plomo, el bismuto y el mercurio, para producir los metales libres. Reduce a su estado metálico algunas sales, como los nitratos, nitritos y cianuros de sodio y potasio. Reacciona con cierto número de elementos, tanto metales como no metales, para producir hidruros, como el NaH, KH, H2S y PH3. El hidrógeno atómico produce peróxido de hidrógeno, H2O2, con oxígeno. Con compuestos orgánicos, el hidrógeno atómico reacciona para generar una mezcla compleja de productos; con etileno, C2H4, por ejemplo, los productos son etano, C2H6, y butano, C4H10. El calor que se libera cuando los átomos de hidrógeno se recombinan para formar las moléculas de hidrógeno se aprovecha para obtener temperaturas muy elevadas en soldadura de hidrógeno atómico.
El hidrógeno reacciona con oxígeno para formar agua y esta reacción es extraordinariamente lenta a temperatura ambiente; pero si la acelera un catalizador, como el platino, o una chispa eléctrica, se realiza con violencia explosiva. Con nitrógeno, el hidrógeno experimenta una importante reacción para dar amoniaco. El hidrógeno reacciona a temperaturas elevadas con cierto número de metales y produce hidruros. Los óxidos de muchos metales son reducidos por el hidrógeno a temperaturas elevadas para obtener el metal libre o un óxido más bajo. El hidrógeno reacciona a temperatura ambiente con las sales de los metales menos electropositivos y los reduce a su estado metálico. En presencia de un catalizador adecuado, el hidrógeno reacciona con compuestos orgánicos no saturados adicionándose al enlace doble.
e. Analice los principios y ecuaciones de la mecánica de fluidos utilizados en este motor.
El motor de hidrogeno tiene una pila o celda de combustible que es la que se encarga de combinar el hidrogeno con el oxigeno y se transforma en Energía, aquí podemos ver un ejemplo del Principio de Conservación de Energía, puesto
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que esta pila, dicho en otras palabras, transforma la energía la energía química (almacenada en el enlace H-H de la molécula H2), en energía eléctrica y se consigue como residuo vapor de agua.
Esto es lo que ocurre en la Pila de combustible:
Entonces concluimos que de acuerdo a lo que dice el principio de conservación de la energía “la energía no se crea ni se destruye; solo se transforma de unas formas a otras”, en el motor de hidrogeno la energía química se transforma en eléctrica.
f. Indique los procesos termodinámicos presentes en el motor y en base a ellos determine una ecuación para calcular su eficiencia.
Procesos termodinámicos en el motor de hidrogeno
La sustancia esencial para hablar de la existencia del motor de hidrogeno es la obtención de hidrógeno, la cual puede hacerse de diversas maneras siendo la
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más usada, a partir del Metano u otros combustibles fósiles (alrededor del 95%), siendo un inconveniente la producción del CO2 o del CO, como se muestra en las siguientes reacciones:
CH4 + H2O => CO + 3H2
CO + H2O => CO2 + H2
Otra manera de obtenerlo es a partir de la hidrólisis, es decir al pasarle corriente eléctrica siguiendo la siguiente reacción:
H2O + energía =>H2 + O2
Por ello que lo que se presume hacer es obtener el hidrógeno a partir de hidrólisis para evitar la emisión de CO2 y ayudar a la no contaminación del medio ambiente.
Hay otros procesos que están involucrados dentro de los motores de hidrógeno, por eso hay que tener en cuenta que existen tres tipos de motores que utilizan al hidrógeno como fuente de energía es así que el hidrógeno es empleado en motor Wankel, motor de cuatro tiempos (ciclo Otto) y en un motor eléctrico el cual es accionado por la corriente eléctrica generada en una celda de combustible de hidrógeno. Conociendo ello, los procesos realizados dentro de cada tipo de motor sería:
Motor Wankel
El cual sigue el mismo proceso que en un motor convencional, solo que ahora emplea hidrógeno, y ello permite que este motor de mejores resultados que antes ya que no suele dar problemas con el autoencendido además que la cámara de combustión es adecuada para la combustión de hidrógeno.
Motor de cuatro tiempos (ciclo Otto)
En el caso de este motor el ciclo que se realiza es el mismo que en un motor convencional que emplea gasolina, lo único que varía es que ahora el
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combustible es el hidrógeno es decir está formado por una compresión adiabática, un aumento de presión isocórica, una expansión adiabática y una disminución de presión isocórica.
Cálculo de Eficiencia del Motor
Se puede realizar de la siguiente manera:
Trabajo realizado:
Wtotal = W12 + W34 = (P1V1 + P2V2 - P3V3 - P4V4)/(1-k)
Qentregado = Cv*(T3 - T2)
Qsale = Cv*(T1 - T4)
A partir de aquí podemos hallar la eficiencia energética:
n = Wtotal / Qentregado
Estos valores que se obtienen pueden variar ya que dependen como se emplee el combustible, puesto que el hidrógeno puede entrar al cilindro a temperatura ambiente o en todo caso criogénica (-253ºC).
g. En su opinión, ¿es viable el uso de este motor en el parque automotor peruano? Justifique su respuesta
En mi opinión es muy viable el uso de este tipo de motor en nuestro parque automotor por las diversas ventajas que tiene al no contaminar el ambiente, no produce ruido y consume menos energía; el único factor detonante a tomar en cuenta para su uso es el excesivo costo que actualmente presenta el mercado para ser usado por que requiere de sistemas de almacenamiento costosos y aún poco desarrollados y el elevado precio del hidrogeno puro.
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Bibliografía – Fuentes Virtuales
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http://books.google.com.pe/books? id=lvDitKKl1SAC&pg=PA674&dq=Procesos+de+funcionamiento+del+motor+de+hidr%C3%B3geno&hl=es&ei=oQVNTKqTDsGAlAf_wr32DQ&sa=X&oi=book_result&ct=book-thumbnail&resnum=1&ved=0CCgQ6wEwAA#v=onepage&q=Procesos%20de%20funcionamiento%20del%20motor%20de%20hidr%C3%B3geno&f=false
http://books.google.com.pe/books?id=BLguan0a8BYC&lpg=PA102&dq=c %C3%B3mo%20funciona%20el%20motor%20de%20hidr%C3%B3geno&pg=PA101#v=onepage&q&f=false
http://books.google.com.pe/books?id=ZriGyB3CxXoC&pg=PA110&dq=c %C3%B3mo+funciona+el+motor+de+hidr%C3%B3geno&hl=es&ei=IgRNTJSvGIGclgeBqpD5DQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=7&ved=0CEMQ6AEwBg#v=onepage&q&f=false
http://www.monografias.com/trabajos64/maquinas-termicas/maquinas- termicas2.shtml
Weidlich, Erhard. Constitución Y Funcionamiento De Las Pilas De Combustible. Barcelona: Marcombo Boixareu, 1987.
Pérez Bello, Miguel Angel. Tecnología De Los Motores.
Álvarez Flores, Jesús Andrés. Máquinas Térmicas Motoras.
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Ferguson, Colin R. Internal Combustion Engines.
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http://elmundomotor.elmundo.es/elmundomotor/2006/12/07/coches/ 1165490818.html
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