Conservación de la
energía, 1ra Ley de la Termodinámica
Experimentaremos como en un sistema físico
se pueden producir diversas transformaciones de energía que involucren calor,
energía térmica, energía interna, energía mecánica o, como es posible virtud al
calor, bajo determinadas condiciones, hacer que un sistema realice trabajo,
esto es, veremos como un sistema es capaz de hacer trabajo. En todos los casos
es posible plantear la conservación de la energía, que en termodinámica
constituye su 1ra Ley.
Calor y
Energía térmica en sistemas termodinámicos
Un
sistema termodinámico será un sistema físico que podrá especificarse usando
ciertas variables macro o microscópicas, usaremos en general, las variables
macroscópicas (p, V, T, U) para describir el estado de estos sistemas.
En el
contexto energético, las energías asociadas a los sistemas termodinámicos son,
i)
Energía interna, es la energía propia del sistema asumido
estacionario.
ii) Energía
térmica, parte de la energía interna que depende de la T.
iii) Calor, energía térmica transferida por
diferencia de Ts.
En cuanto a que en diversos procesos
se ha observado conversión de EM
en Q (energía térmica), es necesario contar con una relación
adecuada que permita hacer la conversión entre dichas cantidades, esa expresión
la obtuvo James Joule con su notable experimento. Halló lo que actualmente se
conoce como equivalente mecánico de la caloría,
FLUIDOS
Un fluido es todo cuerpo que tiene la propiedad de fluir, y carece de
rigidez y elasticidad, y en consecuencia cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar
su forma y adoptando así la forma del recipiente que lo contiene. Los fluidos
pueden ser líquidos o gases según la diferente intensidad de las
fuerzas de cohesión existentes entre sus moléculas.
En
los líquidos, las fuerzas intermoleculares permiten que las partículas se
muevan libremente, aunque mantienen enlaces latentes que hacen que las
sustancias en este estado presenten
volumen constante o fijo. Cuando se vierte un líquido a un recipiente, el
líquido ocupará el
volumen parcial o igual al volumen del recipiente sin importar la forma de este
último.
Los
líquidos son incompresibles debido a que su volumen no disminuye al
ejercerle fuerzas muy grandes. Otra de sus propiedades es que ejercen
presión sobre los cuerpos sumergidos en ellos o sobre las paredes del
recipiente que los contiene. Esta presión se llama presión
hidrostática.
Los
gases, por el contrario, constan de partículas en movimiento bien
separadas que chocan unas con otras y tratan de dispersarse, de tal modo
que los gases no tienen forma ni volumen definidos. Y así adquieren la
forma el recipiente que los contenga y tienden a ocupar el mayor volumen
posible (son muy expandibles).
Los
gases son compresibles; es decir, su volumen disminuye cuando sobre ellos
se aplican fuerzas. Por ejemplo, cuando se ejerce fuerza sobre el émbolo
de una jeringa.
La
mecánica de fluidos es la parte de la Física que estudia los
fluidos tanto en reposo como en movimiento, así como de las aplicaciones y
mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica se divide en
la estática de fluidos o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en
reposo o en equilibrio; y en la dinámica de fluidos o hidrodinámica, que
trata de los fluidos en movimiento.
Por
otro lado en términos de lenguaje, se dice que es fluido a lo todo que
surge con facilidad y está bien estructurado; es decir, al lenguaje suelto,
corriente, fácil y continuado, sin interrupciones. Por ejemplo: María
posee un alemán muy fluido en sus cualidades.
Se
clasifica en:
- Estática: De los líquidos llamada Hidrostática. De los gases llamada
Aerostática.
- Cinemática: De los líquidos llamada Hidrodinámica. De los gases llamada Aerodinámica.
HIDROSTATICA:
La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica,
que estudia los fluidos en estado de equilibrio, es decir, sin que existan fuerzas
que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas que respaldan el
estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de
Arquímedes.
PRINCIPIO DE PASCAL:
En física, el principio de Pascal
o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise
Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: “el incremento de presión
aplicado a una superficie de un fluido incompresible (líquido), contenido en un
recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las
partes del mismo”. Es decir que si en el interior de un líquido se origina una
presión, estas se transmiten con igual intensidad en todas direcciones y
sentidos. En el sistema internacional, la unidad de presión es 1 Pascal (Pa),
que se define como la fuerza ejercida por 1 newton sobre la superficie de 1
metro cuadrado.
PRESION HIDROSTATICA:
Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión
PISTONES
CONCEPTO DE PISTON:
Se denomina pistón Se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido. En todas las aplicaciones en que se emplea, el pistón recibe o transmite fuerzas en forma de presión de a un líquido o de a un gas.
TRANSMISION DE POTENCIA:
Una fuerza mecánica, trabajo o potencia es aplicada en el pistón A. La presión interna desarrollada en el fluido por su la densidad ejerciendo una fuerza de empuje en el pistón B. Según la ley de Pascal la presión desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el pistón B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistón A, asumiendo que los diámetros de A y B son iguales y sin importar el ancho o largo de la distancia entre los pistones, es decir por donde transitará el fluido desde el pistón A hasta llegar al pistón B.
APLICACION DE POTENCIA EN JERINGAS:
El largo
cilindro de la figura puede ser dividido en dos cilindros individuales del
mismo diámetro y colocados a distancia uno de otro conectados entre si por una
cañería. El mismo principio de transmisión de la fuerza puede ser aplicado, y
la fuerza desarrollada en el pistón B va ser igual a la fuerza ejercida por el
pistón A. En el siguiente gráfico podemos observar la versatilidad de los
sistemas hidráulicos y/o neumáticos al poder ubicarse los componentes aislantes
no de otro, y transmitir las fuerzas en forma inmediata a través de distancias
considerables con escasas perdidas. Las transmisiones pueden llevarse a
cualquier posición. Aun doblando esquinas, pueden transmitirse a través de
tuberías relativamente pequeñas con pequeñas perdidas de potencia.
PALANCAS
La
palanca es una máquina simple que se emplea en una gran variedad de
aplicaciones. Probablemente, incluso, las palancas sean uno de los primeros
mecanismos ingeniados para multiplicar fuerzas. Es cosa de imaginarse el
colocar una gran roca como puerta a una caverna o al revés, sacar grandes rocas
para habilitar una caverna. Con una buena palanca es posible mover los más
grandes pesos y también aquellos que por ser tan pequeños también representan
dificultad para tratarlos.
Básicamente está constituida por una barra rígida, un punto de apoyo o Fulcro y
dos o más fuerzas presentes: una fuerza a la que hay que vencer, normalmente es
un peso a sostener o a levantar o a mover, y la fuerza que se aplica para
realizar la acción que se menciona. La distancia que hay entre el punto de
apoyo y el lugar donde está aplicada cada fuerza, en la barra rígida, se
denomina brazo. Así, a cada fuerza le corresponde un cierto brazo. Como en casi
todos los casos de máquinas simples, con la palanca se trata de vencer una resistencia,
situada en un extremo de la barra, aplicando una fuerza de valor más pequeño
que se denomina potencia, en el otro extremo de la barra.
En una palanca podemos distinguir entonces los siguientes elementos:
-El punto de apoyo o fulcro.
-Potencia: la fuerza (en la figura de abajo: esfuerzo) que se ha de aplicar.
-Resistencia: el peso (en la figura de abajo: carga) que se ha de mover.
PRINCIPIO DE GALILEO GALILEI:
Se
cuenta que el propio Galileo Galilei habría dicho: "Dadme un punto de
apoyo y moveré el mundo". En realidad, obtenido ese punto de apoyo y
usando una palanca suficientemente larga, eso es posible. En nuestro diario
vivir son muchas las veces que “estamos haciendo palanca”. Desde mover un dedo
o un brazo o un pie hasta tomar la cuchara para beber la sopa involucra el hacer
palanca de una u otra forma. Ni hablar de cosas más evidentes como jugar al
balancín, hacer funcionar una balanza, usar un cortaúñas, una tijera, un
sacaclavos, etc. Casi siempre que se pregunta respecto a la utilidad de una
palanca, la respuesta va por el lado de que “sirve para multiplicar una
fuerza”, y eso es cierto pero prevalece el sentido que multiplicar es aumentar,
y no es así siempre, a veces el multiplicar es disminuir al multiplicar por un
número decimal por ejemplo.
