MOMENTO DE EVALUACION: INTERMEDIA

UNIDAD 3: TRABAJO INDIVIDUAL

Resumen: OSCILACIONES Y TERMODINAMICA

CURSO: FISICA GENERAL

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

Escuela: ECBTI

CERES VALLE DEL GUAMUEZ

19/04/2015

Contenido

INTRODUCCION......................................................................................................................................3

Tema 1: Movimiento oscilatorio.................................................................................................................4

Ejercicio 2...................................................................................................................................................4

Tema 2: Movimiento ondulatorio................................................................................................................7

Ejercicio 10.................................................................................................................................................7

Tema 3: Temperatura..................................................................................................................................8

Ejercicio 13.................................................................................................................................................8

Tema 4: Primera ley de la termodinámica.................................................................................................11

Ejercicio 18...............................................................................................................................................11

Tema 5: Teoría cinética de los gases.........................................................................................................14

Ejercicio 24...............................................................................................................................................14

CONCLUSIONES....................................................................................................................................16

REFERENCIAS........................................................................................................................................17

INTRODUCCION

Este trabajo es realizado con el fin de responder a los objetivos establecidos por la guía

de actividades de la unidad 3 de la asignatura de física general. La importancia de la realización

de este trabajo es resolver los ejercicios en torno a la temática de oscilaciones y termodinámica

correspondientes a la unidad 3 de física general.

El curso que nos ocupa en este material, presenta diversas temáticas que hacen parte de

esa gran herramienta formal. Las temáticas que se exponen son Movimiento oscilatorio,

Movimiento ondulatorio, Temperatura, Primera ley de la termodinámica, Teoría cinética

de los gases, donde se encontraran en cada temática, conceptos básicos, y las respectivas

fórmulas que podrán ser las adecuadas para dar solución a los ejercicios planteados.

DESARROLLO DEL TRABAJO

Tema 1: Movimiento oscilatorio

Ejercicio 2. Un oscilador armónico simple tarda 12.0 s en someterse a cinco

vibraciones completas. Encuentre a) el periodo de su movimiento, b) la frecuencia en Hertz y c)

la frecuencia angular en radianes por segundo.

CONCEPTOS:

MOVIMIENTO OSCILATORIO. El movimiento oscilatorio es un movimiento en

torno a un punto de equilibrio estable. Los puntos de equilibrio mecánico son, en general,

aquellos en los cuales la fuerza neta que actúa sobre la partícula es cero. Si el equilibrio es

estable, un desplazamiento de la partícula con respecto a la posición de equilibrio elongación da

lugar a la aparición de una fuerza restauradora que devolverá la partícula hacia el punto de

equilibrio. En términos de la energia potencial los puntos de equilibrio estable se corresponden

con los mínimos de la misma.1

Se dice que una partícula que se mueve a lo largo del eje x realiza un movimiento

armónico simple cuando su desplazamiento respecto a su posición de equilibrio varía con el

tiempo.

Para dar un significado físico a dichas constantes, es conveniente formar una representación del

movimiento al graficar x como función de t. Primero, A, llamada la amplitud del movimiento, es

simplemente el máximo valor de la posición de la partícula en la dirección x positiva o

negativa.1 Wikispaces: movimiento oscilatorio.

Para dar un significado físico a dichas constantes, es conveniente formar una

representación del movimiento al graficar x como función de t. Primero, A, llamada la

amplitud del movimiento, es simplemente el máximo valor de la posición de la partícula en

la dirección x positiva o negativa.

La constante ω se llama frecuencia angular y tiene unidades1 de rad/s. Es una medida de

que tan rápido se presentan las oscilaciones; mientras más oscilaciones por unidad de

tiempo haya, más alto es el valor de ω. A partir de la ecuación, la frecuencia angular es:

El periodo T del movimiento es el intervalo de tiempo requerido para que la partícula pase a

través de un ciclo completo de su movimiento. Es decir, los valores de x y v para la partícula en

el tiempo t iguala los valores de x y v en el tiempo t + T. Porque la fase aumenta en 2π radianes

en un intervalo de tiempo de T,

Al simplificar esta expresión se obtiene ω T= 2 π, o:

El inverso del periodo se llama frecuencia f del movimiento. Mientras que el periodo es el

intervalo de tiempo por oscilación, la frecuencia representa el número de oscilaciones que

experimenta la partícula por unidad de intervalo de tiempo:

Las unidades de f son ciclos por segundo, o Hertz (Hz). Reordenar la ecuación produce:

De este modo el periodo y la frecuencia dependen solamente de la masa de la partícula y de la

constante de fuerza del resorte y no de los parámetros del movimiento, como A o ϕ.

Como es de esperar, la frecuencia es mayor para un resorte más rígido (mayor valor de k) y

disminuye con la masa creciente de la partícula.

FORMULAS A UTILIZAR:

T= 1F

F= 1T

ω=2 πF

Propuesta de solución: Con estas fórmulas se pueden encontrar los datos que nos piden en el

ejercicio, ya que tenemos las formulas del periodo, frecuencia y la frecuencia angular.

Igualmente tenemos un dato que nos facilita la solución.

Tema 2: Movimiento ondulatorio

Ejercicio 10. Un cordón de teléfono de 4.00 m de largo, que tiene una masa de 0.200

kg. Un pulso transversal se produce al sacudir un extremo del cordón tenso. El pulso hace cuatro

viajes de atrás para adelante a lo largo del cordón en 0.800 s. ¿Cuál es la tensión del cordón?

CONCEPTOS:

El movimiento ondulatorio puede considerarse como un transporte de energia y

cantidad de movimiento de una región a otra del espacio sin que tenga lugar ningún transporte

neto de materia2.

En cuanto al tipo de medio material en que se pueden propagar, podemos dividir las

ondas en dos grandes grupos:

Ondas mecánicas: En este caso las ondas se originan mediante una perturbación en el

espacio que se propaga a través de un medio material debido a sus propiedades elásticas.

Ejemplos de este tipo de ondas son las ondas sonoras (vibraciones de las moléculas de aire que

se transmiten de unas a otras), ondas en la superficie de un estanque, ondas en una cuerda, ondas

sísmicas, etc.

Ondas electromagnéticas: Estas ondas no necesitan de ningún medio material para

propagarse. Pueden hacerlo en el vacío. La energia y el momento son transportados por campos

eléctricos y magnéticos que se propagan conjuntamente en el espacio. Ejemplos de estas ondas

son las ondas luminosas, las ondas de radio o televisión, las ondas de telefonía móvil, los rayos

X, etc.

2 FISICA I. Movimientos oscilatorios y ondulatorios.

Un pulso es una onda de extensión relativamente corta, interesante desde el punto de

vista teórico porque permite visualizar el comportamiento genérico de cualquier onda.

Matemáticamente, un pulso se puede representar como una cierta funcion, y = f(x), que se

mueve con una cierta velocidad.

Por ejemplo, un pulso es el resultado de mover el extremo de una cuerda horizontal

(estando el otro extremo sujeto a un punto) con fuerza arriba o abajo durante un breve intervalo

de tiempo.

FORMULAS A UTILIZAR:

T=V 2×μ

V=√ Tμ

Propuesta de solución: Con las formulas anteriormente citadas, podremos dar solución al

problema planteado, teniendo en cuenta el análisis del ejercicio y la conceptualización. Antes de

encontrar la tensión, primero hallamos la velocidad (v) y la masa por unidad de longitud (µ). Ya

que tenemos los datos de masa y longitud, y tiempo.

Tema 3: Temperatura

Ejercicio 13. El punto de fusión del oro es 1 064°C, y su punto de ebullición es 2

660°C. a) Exprese estas temperaturas en kelvin. b) Calcule la diferencia entre estas temperaturas

en grados Celsius y en kelvin.

CONCEPTOS:

La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica que

tiene un cuerpo o un sistema. Las moléculas que forman todos los cuerpos están siempre en

movimiento. La temperatura nos informa del grado de agitación de las partículas de un cuerpo y

equivale al valor promedio de la energía de todas sus partículas3.

La unidad de temperatura en el S.I. es el grado Kelvin (K) de la escala absoluta. Pero

la escala que se utiliza normalmente es la escala Centígrada, en la que la unidad es el grado

centígrado (ºC) es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100ºC, es la temperatura de

ebullición del agua.

Escalas termométricas:

Escala centígrada toma como puntos de referencia las temperaturas de fusión y

ebullición. Del agua a una atmósfera de presión y se les asigna valores de 0 a 100.

Escala Fahrenheit: Hace corresponder los mismos puntos con 32º F y 212º F. La

escala se divide en 180 partes iguales.

Escala Kelvin. No es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de la

temperatura mínima posible, donde los átomos y las moléculas estarían en reposo. Este punto se

corresponde aproximadamente con – 273 ºC. La unidad de temperatura en el S.I. es el Kelvin

(K).

3 4º Curso de E.S.O. el calor y la temperatura.

Imagen 1: escalas termométricas.

Transformaciones: De Grados Centígrados a Kelvin se pasa añadiendo a los G.

Centígrados 273 unidades.

°C ↔ K

K =ºC + 273.

Para esta transformación: ºC ↔ ºF. La transformación se complica al tener diferente escala.

Tenemos que aplicar las siguientes formulas:

FORMULAS A UTILIZAR:

K =ºC + 273.

Propuesta de solución: Expresar las temperaturas en Kelvin °K= °C + 273, siendo K la

temperatura expresada en grados Kelvin. Restar los resultados para saber la diferencia: se restan

el de mayor con el de menor para poder saber las diferencias, después convertirlo a kelvin y de la

misma manera se realiza la resta. Además tenemos los datos en grados Celcius.

Tema 4: Primera ley de la termodinámica

Ejercicio 18. La temperatura de una barra de plata se eleva 10.0°C cuando absorbe 1.23

kJ de energía por calor. La masa de la barra es 525 g. Determine el calor específico de la plata.

CONCEPTOS:

La primera ley no es otra cosa que el principio de conservación de la energía aplicado a

un sistema de muchísimas partículas. A cada estado del sistema le corresponde una energía

interna U. El trabajo necesario para cambiar el estado de un sistema aislado depende únicamente

de los estados inicial y final, y es independiente del método usado para realizar el cambio.

CALOR (Q).

El calor es energía en tránsito, cuando la transferencia de un cuerpo a otro sucede por

medios no mecánicos, a causa de la diferencia de temperatura entre los cuerpos. El concepto de

calor es similar al concepto de trabajo tomado éste como la medida de la energía que es

transferida mediante un proceso mecánico. Debe distinguirse con precisión entre calor como

forma de energía en tránsito y energía térmica (llamada energía interna) como propiedad del

sistema, ya que no todo el calor transferido a un sistema se convierte necesariamente en energía

térmica o interna4.

4 Escuela de Fisica. Termodinámica.

La unidad de calor del sistema inglés es la BTU (Unidad Térmica Británica) y es la

cantidad de calor que es necesario suministrar a una libra de agua para elevar su temperatura de

63°F a 64°F. Equivalencias: 1 BTU = 252 Cal. = 0.252 Kcal.

Definimos Calor Específico de una sustancia como la cantidad de Energía (Q) que hay

que proporcionar a 1 kg., de esta para elevar su temperatura 1 kelvin. Esto se expresa de la

siguiente manera:

Siendo la variación de temperatura, la temperatura final o de equilibrio) de la sustancia

menos la inicial:

ΔT = Tfinal –Tinicial.

Imagen 2: tabla de valores de calores específicos de determinadas sustancias.

FORMULAS A UTILIZAR:

K =ºC + 273.

Propuesta de solución: Para hallar el calor específico. La cantidad de calor Q que se le

suministra a un cuerpo de masa m y de calor específico Ce para elevar su temperatura una

cantidad ΔT será:

Q = m*ce *ΔT

Dónde: El calor Q tiene unidades de energía (Joule), sin embargo para el caso específico del

calor se utilizan unidades especiales como la caloría o la unidad térmica inglesa. Mc recibe el

nombre de capacidad calorífica del cuerpo, se suele denotar por la letra C, y es la cantidad de

calor necesaria para elevar la temperatura del cuerpo de masa m en un grado kelvin.

Despejando:

Tema 5: Teoría cinética de los gases

Ejercicio 24. Calcule la masa de un átomo de a) helio, b) hierro y c) plomo.

Proporcione sus respuestas en gramos. Las masas atómicas de estos átomos son 4.00 u, 55.9 u y

207 u, respectivamente.

CONCEPTOS:

Teoría cinética de los gases: La teoría cinética de los gases explica las características y

propiedades de la materia en general, y establece que el calor y el movimiento están

relacionados, que las partículas de toda materia están en movimiento hasta cierto punto y que el

calor es una señal de este movimiento.

Sabemos que los átomos de elementos distintos tienen distinta masa entre sí. Por

ejemplo, un átomo de hidrógeno tiene distinta masa que un átomo de cobre. El átomo de cobre

tiene más masa; por lo tanto, pesa más que el átomo de hidrógeno (tiene mayor peso atómico).

Los átomos son tan pequeños que no podemos medir (pesar) la masa de un átomo

individualmente.

No existe una balanza capaz de medir la masa de un solo átomo. Tampoco es posible

contar los átomos necesarios para ajustar una determinada combinación o reacción química entre

elementos distintos. Pero lo que sí sabemos es que existe el concepto de mol, el cual representa

un número definido de átomos.

Un mol se define como la cantidad de materia que tiene tantas unidades como el

número de átomos que hay en exactamente 12 gramos de 12C. Se ha demostrado que este

número es: 6,0221367 x 1023.

Se abrevia como 6,02 x 1023, y se conoce como número de Avogadro. Podemos

expresar la ley de Avogadro así:

FORMULAS A UTILIZAR:

m=masa atomica(sustancia)

¿de Avogadro

1 μ = 1,66 * 10- 24 g

Propuesta de solución: conocidos los valores iniciales de cada sustancia, y además de

conocer la constante de Avogadro, utilizamos la formula anterior para hallar la masa de cada

elemento. Luego utilizamos la siguiente expresión 1 μ = 1,66 * 10 - 24 g, para hallar el resultado

final.

CONCLUSIONES

Se comprendió las definiciones y aplicaciones necesarias para dar solución a los

problemas propuestos por la actividad, relacionados con la unidad 3.

Se logró la comprensión y aplicación de los principios de la física y sus teorías

facilitando el entendimiento y desarrollo de los ejercicios propuestos.

Todos y cada uno de los conceptos vistos son indispensables para el buen desarrollo de

los ejercicios propuestos en este trabajo.

REFERENCIAS

Wikispaces Classroom. ( ). MOVIMIENTO OSCILATORIO. Consultado el 15/04/2015. Web:

https://fafisica115.wikispaces.com/MOVIMIENTO+OSCILATORIO

Medina D., A. & Ovejero S., J. (2010/11). FISICA 1: Tema 7. Movimientos oscilatorio y

ondulatorio. Consultado el 15/04/2015. Web:

http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/fisica-i/contenidos/temas por separado/7 ap

oscond1011.pdf

Sanmartín, J. ( ). 4º Curso de E.S.O. El calor y la temperatura. Consultado el 15/04/2015. Web:

http://juansanmartin.net/temas_pdf/calorytemperatura.pdf

Peña, M. (2007). Escuela de física: termodinámica. Consultado el 15/04/2015. Web:

https://academica.ues.edu.sv/uiu/elementos_estudio/ciencias_naturales/fisica/

termodinamica/termodinamica.pdf