Curso Licenciatura IDEA 2015

FÍSICA

Calor y Trabajo

La energía interna aumenta cuando aumenta el trabajo (W) o el calor (ΔQ)

Equilibrio termodinámico cuando no hay una fuerza resultante que actué en el sistema la temperatura del sistema será igual a la temperatura alrededor de este.

ΔU (cambio de energía interna) = ΔQ (calor neto absorbido) – ΔW (trabajo realizado)

El cambio en la energía interna en un sistema es igual al calor añadido al sistema menos el trabajo realizado por el sistema

1ra Ley de la termodinámica

Aplicación del principio de conservación de la energía

ΔU = Q + W

“La variación de la energía interna de un sistema es igual a la suma del calor y del trabajo”

ΔU = Ufinal – Uinicial = Q + W

Proceso adiabático. No hay intercambio de energía térmica (ΔQ) entre el sistema y su alrededor. Un proceso adiabático es aquel en que el sistema no pierde ni gana calor. La primera ley de Termodinámica con Q=0 muestra que todos los cambios en la energía interna estan en forma de trabajo realizado.

ΔQ = ΔU + ΔWCuando ΔQ = 0 Entonces 0 = ΔU + ΔW∴ ΔW = -ΔU

Proceso isocórico. Aquel en el que el volumen del sistema permanece constante. Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es: Q = ΔU

ΔQ = ΔW +ΔUCuando ΔW= 0Entonces ΔQ = 0 + ΔU∴ΔQ = ΔU

Proceso isotérmico A temperatura constante. En un proceso a temperatura constante, donde participa un gas ideal, se puede expresar la presión en términos del volumen:

ΔQ = ΔW + ΔUΔU = 0ΔQ = ΔW + 0∴ΔQ = ΔW

2da Ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica.

La máxima eficiencia que se puede conseguir es la eficiencia de Carnot.

Segunda ley de termodinámica: es imposible extraer una cantidad de calor QH de un foco caliente, y usarla toda ella para producir trabajo. Alguna cantidad de calor QC debe ser expulsada a un foco frío. Esto se opone a un motor térmico perfecto.

A veces se denomina la "primera forma" de la segunda ley, y es conocida como el enunciado de la segunda ley de Kelvin-Planck.

Segunda ley de la termodinámica: No es posible que el calor fluya desde un cuerpo frío hacia un cuerpo mas caliente, sin necesidad de producir ningún trabajo que genere este flujo. La energía no fluye espontáneamente desde un objeto a baja temperatura, hacia otro objeto a mas alta temperatura. Esto se opone al perfecto refrigerador. Las declaraciones sobre los refrigeradores, se aplican a los acondicionadores de aire y a las bombas de calor, que encarnan los mismos principios.

Esta es la "segunda forma", o la declaración de Clausius de la segunda ley.

Refrigeración

η (coeficiente de rendimiento) = Qfrío / W = Qfrío / (Qcaliente – Q frío)

También se aplica como:

η (coeficiente de rendimiento) = T frío / (Tcaliente – T frío)

Segunda ley de la termodinámica: en cualquier proceso cíclico, la entropía aumentará, o permanecerá igual.

Puesto que la entropía da información sobre la evolución en el tiempo de un sistema aislado, se dice que nos da la dirección de la "flecha del tiempo". Si las instantáneas de un sistema en dos momentos diferentes, muestran uno que está más desordenado, entonces se puede deducir que este estado se produjo mas tarde en el tiempo que el otro. En un sistema aislado, el curso natural de los acontecimientos, lleva al sistema a un mayor desorden (entropía más alta) de su estado.

Wsalida = Qentrante – Qsaliente

E(Eficiencia) = (Qentrante – Qsaliente) / Qentrante

Ciclo de Carnot

El ciclo de motor térmico mas eficiente es el ciclo de Carnot, consistente en dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabático. El ciclo de Carnot se puede considerar como, el ciclo de motor térmico mas eficiente permitido por las leyes físicas. Mientras que la segunda ley de la termodinámica dice que no todo el calor suministrado a un motor térmico, se puede usar para

producir trabajo, la eficiencia de Carnot establece el valor límite de la fracción de calor que se puede usar.

Con el fin de acercarse a la eficiencia de Carnot, los procesos que intervienen en el ciclo del motor de calor deben ser reversibles y no implican cambios en la entropía. Esto significa que el ciclo de Carnot es una idealización, ya que no hay procesos de motores reales que sean reversibles y todos los procesos físicos reales implican un cierto aumento de la entropía.

Eficiencia de una maquina

E = (Tentrante – Tsaliente) / Tentrante

EJERCICIOS

Una maquina térmica realiza 240J de trabajo durante el cual su energía interna disminuye en 400J, cual es el intercambio de calor neto?

Einterna disminuye ∴ΔU – (negativo), motor ΔW (positivo)ΔU = -400JΔW = 240JΔQ = -400J + 240JΔQ = -160J

Gas dentro de un cilindro se dilata a presión constante de 200kPa, y su volumen aumenta de 2x10-3 a 5x10-3, que trabajo realiza?

W = PΔVW = (200x103Pa) (5x10-3 m3- 2x10-3m3)

W = 600J

Una maquina ideal funciona entre 2 depósitos a 500°K y 400°K respectivamente, absorbe 900J de calor del depósito a alta temperatura durante cada ciclo. ¿Cuál es la eficiencia y calor liberado?.

E = (Tentrada – Tsalida) / TentradaE = (500°K – 400°K) / 500°K = 0.200La eficiencia ideal es de 20%

E = Wsalida / QentradaWsalida = E*QentradaWsalida = (0.2) (900J) = 180JQsalida = Qentrada – WsalidaQsalida = 900J – 180J = 720JEl calor liberado es 720J

Cual es la eficiencia de un motor de gasolina, la razón de combustión es de 8 y γ = 1.4

V1/V2 = 8

γ – 1 = 1.4 – 1 = 0.4

e = 1 – 1/(v1/V2)ˆγ-1

e = 1 – 1/8ˆ0.4e = 1 / 2.297 = 1 / 2.3 e = 57%

Nota: γ = 1.67 gases monoatómicos γ = 1.4 gases diatómicos

γ = Cp (calor a volumen cte)/Cv (calor a presión cte)

Un refrigerador funciona entre 500°K y 400°K. Cada ciclo extrae 800 J Cuanto trabajo cada ciclo y cuanta energía libera

K = Tfrío / Tcalor-TfríoK = 400°K / 500°K-400°K = 4

K = Qfrío/Wentrante

Wentrante = 800J/4 = 200J

Qcalor = Wentrante + QfríoQcalor = 200J +800JQcalor = 1000J

En un sistema químico industrial se proporciona a un sistema 600J de calor y produce 200J de trabajo, cual es el incremento de energía interna

ΔU = ΔQ – ΔWΔU = 600J – 200J = 400J

En un proceso termodinamico la energía interna se incrementa en 500J, cuanto trabajo realizo el gas si se absorbieron 800J de calor

W = 300J

Durante una expansión isóbarica a Pconstante 250KPa hacen que el volumen de un gas pase de 1 a 3 litros, que trabajo realiza el gas?

K = 500J

En un contenedor se encierran 2kg de H2O a 20°C de modo que el cambio es isocórico, luego el H2O absorbe 9000J de calor al tiempo que 1500 se gotean de un mal aislamiento. En cuanto se incremento la temperatura?

T = 0.896°C

2 litros de un gas ideal tienen una temperatura de 300°K y presión de 2 atmosferas. El gas soporta dilatación isobárica mientras la temperatura sube hasta 500°K. Que trabajo realizo el gas?.

W = 269.46 KJ

Fuerzas

Una cantidad vectorial incluye: magnitud (número y unidad) dirección y sentido

Método gráfico

Elegir fuerza y determinar longitud de la flecha, dibujar a escala. Primer vector magnitud y dirección , flecha del siguiente vector saliendo de la punta de la flecha del primero. Ahora dibujar el vector resultante con el origen del primero y la punta del ultimo. Medir con la regla y transformar la magnitud y dirección del vector resultante.

Velocidad de la luz 2.99792458 x 10ˆ8 m/s

Método del Polígono

Metodo de paralelogramoSeparar las fuerzas en sus componentes x, y; y posteriormente sumar todas las fuerzas en x y en y para obtener la parte resultante en x y la resultante en y

Rx = Ax + Bx + CxRy = Ay + By + Cy

R = √Rxˆ2 + Ryˆ2

Tan θ = Ry/Rx

Ejercicio suma de vectoresUna mujer camina 4km al E luego 8km norte, hallar desplazamiento resultante y comprobar con método de paralelogramo

R = 8.94 km y 63.4° Ndel E

Resultante de las siguientes fuerzas a) 400N 0°, b 820N 270° y c 500N 90°.

R = 512N 321.3°

3 embarcaciones ejercen fuerza sobre un muelle hallar la resultante

500N a 40° antes de los 180°, 150N a 90°, 420N a los 60°

R = 853N, 101.7°

Para obtener la fuerza resultante:

Tanθ= Fy/Fx

R = √Fxˆ2+Fyˆ2

Cuando son varias fuerzas se suman las componentes en x y las componentes en y por separado

En el equilibrio de fuerzas como en este ejemplo, la componente en x es:

Fx = -AcosθA + BcosθB = 0Fy = AsenθA + BsenθB = 0

Momento de torsion

Fuerza de brazo o palanca, momento positivo hacia la izquierda y momento negativo hacia la derecha

Un barco avanza 100km al norte y luego 60km al NE y por último 120 km al este, cual es el desplazamiento resultante?

Representar en escala estos kilómetros y dibujar. Hacer los cálculos

R = 10.8 cm = 216 km y θ = 41°

Un burro tira con 20 lb en un angulo de 120° mientras que la persona tira con 60 lb a 0°.

Dibujar poniendo equivalencias en cm. Metodo de paralelogramo

R = 52.91 lb y θ=19.1°

Encontrar x y y de una fuerza de 400N en un ángulo polar θ de 220° a partir de x positivo

Θ = 220°-180° = 40°

Fx = Fcosθ = -306NFy = Fsenθ = -257N

Matematicas

Diferenciales

F(x) = 3xˆ2 + 5x – 6Df(x) = (6x+5) dx

F(x) = x+2 / xˆ2Df(x) = xˆ2-(x+2)-2x / xˆ4 = xˆ2-2xˆ2-4x / x ˆ4 dx = -x+4 / xˆ3 dx

F(X) = 7ˆ((3xˆ2)-1)Df(x) = 6x * 7ˆ(3xˆ2-1) * ln7dx

F(x) = eˆtg(x)Df(x) = (1+tgˆ2(x))*eˆtg(x) dx

F(X) = ln sen √x Df(x) = 1/sen√x * cos√x * 1/2√x dxDf(X) = cotg√x / 2√x dx

F(x)= logx √x

Y = logx√x sí xˆy = √x

Lnxˆy = ln√x Ylnx = ½ lnx

F(x) = ½Df(x) = 0

F(x) = 1 -2x +3xˆ2 - 4xˆ3F’(x) = -2 +6x -12xˆ2

Integrales

∫ lnx/xˆ3 dx

Biología

La Atmosfera primitiva tenía elementos que reducían la atmosfera

Hace 4,800 millones de años la atmosfera contenia: agua, CO2, amoniaco, metano e hidrogeno; estos últimos tres eran elementos reductores

Osmosis: La ósmosis u osmosis es un proceso físico-químico que hace referencia al pasaje de un disolvente, aunque no de soluto, entre dos disoluciones que están separadas por una membrana con características de semipermeabilidad. Estas disoluciones, por otra parte, poseen diferente concentración.Una membrana semipermeable es aquella que contiene poros de dimensión molecular. Como el tamaño de estos poros es muy reducido, sólo pueden atravesar la membrana las moléculas más pequeñas, no así las de mayor tamaño.

Más exactamente podemos determinar que existen dos clases de ósmosis claramente diferenciadas. Así, en primer lugar, hallamos el llamado fenómeno de la ósmosis directa que es aquel proceso de tipo natural que tiene lugar en todas las células vivas y tiene como resultado que se consiga la extracción de agua pura de lo que es el medio ambiente.Y luego, en segundo lugar, nos encontramos con la ósmosis inversa. Esta no es un fenómeno fruto de la Madre Naturaleza sino que es un proceso inventado por el propio ser humano y que consiste en “darle la vuelta” al anterior tipo de ósmosis. De ahí que el fin que persigue es conseguir agua purificada tomando como punto de partida un área de agua salada o impura.La manera de alcanzar dicho objetivo es llevando a cabo la presión propiciando que se produzca así el paso del agua a través de lo que es un membrana semipermeable. Y todo ello en sentido contrario al que tiene lugar de manera natura

Endocitosis: Envoltura de la membrana celular que cubre moléculas que serán introducidas en la célula por lo general para el metabolismo

Catabolismo: Reducción de moléculas complejas a moléculas más simples

Anabolismo: síntesis de moléculas simples a complejas

Nucleotidos con base púrica (Adenina-Guanina)Nucleotidos con base pirimídica (Uracilo-Citosina)

Tipos de ARN

Existen 3 tipos de ARN más el ARN catalítico

ARNm mensajero. Es muy parecido al ADN, metabólicamente activo, con los ribosomas forma polirribosomas, ocupan el 5% del total del ARN de la célula

ARNt transferencia. Es soluble, es un aceptor de a.a., ocupa el 15% de abundancia de la célula, y al menos existe un tipo por cada aminoácido.

ARNr ribosomal: Forma parte de los ribosomas, el peso molecular es elevado, muy estable, ocupa el 80% del ARN de la célular.

Mitosis: no se recombina material genético, por lo tanto las células hijas tienen el mismo número y tipo de cromosomas al iniciarse se duplican los cromosomas (2n)

Meiosis: entre ovulos y espermatozoides. La primera división es reduccional, los cromosomas se duplican pero no se dividin los centrómeros. Segunda división ecuacional, el centrómero se duplica separan las cromatidas. Las células hijas reciben complemento haploide (n).

Evolución biológica

Cambio de diversidad y adaptación de poblaciones de organismos.

1ra teoría 1809 El francés, Jean Baptiste Lamarck. Progresion de la naturaleza1.- fuerza interna hacia la perfección 2.- adaptación al ambiente 3.- generaciones espontaneas 4.- herencia de caracteres adquiridos. Cambio directo en organismos inferiores y cambio lento y gradual en organismos superiores.

Niveles taxonómicos

Niveles de organización de la vida

Omnis cellula e cellula 1858 Virchow

Teoría celulara) Unidad anatómica: la presencia de células en todos los orgaismosb) Unidad de origen: la cantidad genética de la materia vivac) Unidad fisiológica: relación estrecha entre estructura y función