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Introducción y conceptos
básicos.
Introducción a la Física Ambiental.
Tema 1.
Tema 1 IFA (Prof. Ramos)
1
Tema 1.- " Introducción y conceptos
básicos".
• Crítica al teorema de conservación de la
energía mecánica: Fenómenos disipativos.
• Concepto de temperatura: Principio cero.
• Dilatación térmica.
• Sistemas hidrostáticos: Gases ideales y reales.
• Ecuaciones de estado y coeficientes elásticos.
Tema 1 IFA (Prof. Ramos)
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1
Bote Inelástico
• Ei=mgH+0
• Ei=Ef @ Vf=(2gH)
V(t= 0 )= 0
1/2
• Ef=(mVf2)/2+0
Mg
H
• Ef´=mgH´+0
• Ei<Ef
• ¿Dónde está la
energía mecánica?
Problema 1. Hoja IFA1
H´
V= 0
Tema 1 IFA (Prof. Ramos)
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Plano Inclinado
• E1=mgh=mg(Lsenα)+0
• E2=(1/2)mv22+0
• Si la única fuerza fuese la
atracción gravitatoria
(conservativa).
V2 = 2 gh
• Vreal<V2 ¿Porqué?
Tema 1 IFA (Prof. Ramos)
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2
Plano inclinado con Rozamiento
•
Fuerza de fricción dinámica. No conservativa.
•
Balance de energía (1):
r
Fr = − µmg cos α
E c1 = 0
E p 1 = mgLsen α
E m 1 = E c1 + E p 1 = mgLsen α
•
Balance de energía (2):
1
2
mV 2
2
=0
E c2 =
E p2
E m 2 = E c2 + E p2 + W d
2
r r
W d = − ∫ F r .d r = µ mg cos α L
1
E m1 = E m 2
V2 =
Problemas 2 y 3. Hoja IFA1
2 Lg ( sen α − µ cos α )
Tema 1 IFA (Prof. Ramos)
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Principio Cero de la Termodinámica
• Define el método de medida de la temperatura a partir
del concepto de equilibrio térmico.
– Si los subsistemas A y B están en equilibrio térmico.
– Y los subsistemas A y C también están en equilibrio térmico.
– Entonces B estaría en equilibrio térmico con C, caso de ponerlos en contacto
mediante una pared diaterma.
Experimento IFA 1
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3
Dilatación térmica
• Representa la tasa de variación
del volumen, β, o la longitud,
α, de un sistema al variar su
temperatura en condiciones de
presión constante.
• Coeficiente de dilatación lineal:
• Coeficiente de dilatación cúbico:
– Finito:
∆V = β V ∆T
– Diferencial:
β=
– Finito:
∆ L = αL ∆ T
• Unidades de los coeficientes de
dilatación:
– Diferencial:
[α ] = [β ] =
1  ∂L 
α=  
L  ∂T  p
Experimento IFA 3
1  ∂V 


V  ∂T  p
1
T
1
ºC
1/ K
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Coeficiente de dilatación (valores)
Material
Acero
Aluminio
Cobre
Vidrio
Hielo
Material
Alcohol
Agua (20ºC)
Aire
Mercurio
Problema 4. Hoja IFA1
Coef. de dilatación
lineal, α
11 10-6
24 10-6
17 10-6
9 10-6
51 10-6
Coef. de dilatación
cúbico, β
1.1 10-3
0.21 10-3
3.67 10-3
0.18 10-3
Tema 1 IFA (Prof. Ramos)
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4
Comportamiento anómalo del
coeficiente de dilatación del agua.
• La anomalía del coeficiente de dilatación térmica del agua
se observa en el cambio del signo de la pendiente de la
representación (T, V) en torno a los 4ºC.
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Mecanismo de congelación en la
superficie de un estanque I
• Fase I: el agua pierde
calor por la superficie
durante el otoño,
disminuyendo la
temperatura en esta capa,
que se sumerge enfriando
capas más profundas al ser
más densa que las
inferiores (T>4ºC).
• Mecanismo de mezcla
convectivo.
Tema 1 IFA (Prof. Ramos)
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5
Mecanismo de congelación en la
superficie de un estanque II
• Fase II: Al disminuir la
temperatura de la
superficie por debajo de
4ºC. La capa superficial es
menos densa que la
profunda y por lo tanto
flota sobre ella. Hasta que
se transforma en hielo al
ceder en forma continua
energía a la atmósfera.
• Mecanismo de
estratificación conductivo.
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Sistema Hidrostático
• Es cualquier sistema termodinámico que esté
caracterizado por las variables, presión (P),
volumen (V) y temperatura (T).
• De estas tres variables sólo dos de ellas son
independientes.
• Existen funciones, dependiendo del
comportamiento del sistema, F(P,V,T)=0,
llamadas ecuaciones de estado que relacionan las
tres variables.
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6
Ecuaciones de Estado I
• Gas Ideal:
• Ecuación de estado:
– Las moléculas se
comportan como
partículas sin fuerzas
de interacción. Sólo
choques elásticos.
– Se considera que no
ocupan un volumen
límite a presiones
elevadas.
PV = nRT
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Ecuaciones de Estado II
• Gas Real I:
• Ecuación de estado:
– Las moléculas se
comportan como
partículas sin fuerzas
de interacción. Sólo
choques elásticos.
– Se considera que
ocupan un volumen
límite a presiones
elevadas (covolumen).
P (V − nb) = nRT
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Ecuaciones de Estado III
• Gas Real de Van der
Waals:
• Ecuación de estado:
– Las moléculas se
comportan como
partículas con fuerzas ( P +
de interacción a  an 2 
 2 
distancia .
V 
– Se considera que
ocupan un volumen
límite a presiones
elevadas (covolumen,
nb).
an 2
)(V − nb) = nRT
V2
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Coeficiente de compresibilidad
isotermo
• Proporción de la variación del volumen del sistema como
respuesta a la variación de la presión a temperatura
constante.
 ∂V 

∂
P

T
κ = −(1 / V )
• Unidades: (1/Pa)
[κ ] = M −1LT 2
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8
Valores de los Coeficientes
Elásticos para Gases Ideales.
• Coef. de dilatación
cúbico:
– Gas ideal:
1
β = 
T 
• Coeficiente de
compresibilidad isotermo:
– Gas ideal:
1
κT =  
P
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Comportamiento de los Sistemas Hidrostáticos.
Diagrama del punto triple del agua.
Tema 1 IFA (Prof. Ramos)
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Presión de vapor del agua en función de la
temperatura.
T (ºC )
P (m m H g)
P (K pa)
0
10
4.581
9.209
0.611
1.23
15
20
12.653
17.535
1.69
2.34
30
31.827
4.24
40
50
60
70
55.335
92.55
149
233.8
7.38
12.3
19.9
31.2
80
355
47.4
90
526
70.1
100
760
101.3
Tema 1 IFA (Prof. Ramos)
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Comportamiento de las fases líquidovapor. Diagrama de equilibrio.
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