INSTITUCIÓN DUCATIVA
DULCE NOMBRE DE JESÚS
Área: CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL
Docente: NUBIA HERNANDEZ ROSALES (8 1-5) Email: [email protected]
Doc. Luz Karina de la Espriella (8-6)
Email: [email protected] Docente: ASDRUBAL REDONDO F. (8-7) Correo: [email protected]
GUÍA DE TRABAJO N°3 GRADO: OCTAVO
Periodo: 1
Fecha: Del 22 de marzo al 9 de abril.
Estándar:
Explico condiciones y cambio de conservación en diversos sistemas teniendo en cuenta trasferencias y transporte de energía y su interacción con la materia. Identifico aplicaciones comerciales e industriales del transporte de energía y de las interacciones de la materia
Competencia:
• USO COMPRENSIVO DEL CONOCIMIENTO CIENTIFICO
• EXPLICACIÓN DE FENÓMENOS
• INDAGACION
Tema:
TERMODINAMICA Energía, calor y trabajo
Ley de conservación de la energía Leyes de la termodinámica Máquinas térmicas
1. Exploración:
Observa las imágenes y determina que hace referencia cada una:
_________________________ _________________ _______________________
2. SITUACION PROBLEMICA:
¿QUE RELACION EXISTE ENTRE ENERGIA, CALOR Y TRABAJO?
________________________________________________________________________________________
3. DESARROLLO
3.1 CONCEPTUALIZACIÓN Y ACTIVIDADES A DESARROLLAR
1 La Energía
¿Qué es la energía?
Los procesos de cambio en el universo necesitan energía: para poner en funcionamiento de un motor, para calentar un líquido, para lanzar un proyectil…
La energía se presenta de diversas formas:
➢ Energía cinética es la energía asociada al movimiento
➢ Energía potencial es la energía asociada a la posición
➢ Energía Química es la energía asociada a los alimentos y los combustibles
➢ Energía eléctrica es la energía suministrada por una pila.
➢ Energía nuclear es la energía que emiten los átomos cuando sus núcleos se rompen (fisión) o se unen (fusión)
➢ Energía térmica es la energía que se transfiere cuando se ponen en contacto dos cuerpos que están a distinta temperatura,
➢ Energía luminosa es la energía que se propaga mediante ondas electromagnéticas como la luz, la energía solar, los rayos X…
En todos los procesos se convierte energía de una forma en otra.
Todos los cuerpos y todos sistemas materiales tienen energía, que se manifiesta en su capacidad de producir transformaciones en sí mismos o en otros sistemas Por ejemplo:
Los alimentos tienen energía química que permiten a los seres vivos realizar su actividad.
Una pila tiene energía eléctrica que puede permitir alumbrar una linterna.
La energía es la propiedad de los cuerpos y sistemas materiales que les permite experimentar cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Puede presentarse de muchas formas y transformarse de una forma en otra.
Sistema material. Es un cuerpo o conjunto de cuerpos relacionados sobre el que hacemos un estudio: La tierra, una roca, un coche etc…
1.1 Propiedades de la energía
➢ Se transfiere de unos cuerpos a otros. El sol transmite energía a una planta.
➢ Se puede almacenar y transportar. Las pilas almacenan energía eléctrica que se libera cuando las conectamos. La energía eléctrica se transporta a través del tendido eléctrico.
➢ Se transforma. La energía solar se transforma en energía eléctrica.
➢ Se degrada. Parte de la energía eléctrica consumida por un motor se convierte en calor.
➢ Se conserva. En la cantidad total de energía hay que incluir la que se degrada.
1.2 Unidades de la energía
En el SI se mide en julios (J). Cuando se habla de energía calorífica se utiliza la caloría (cal) Ambas están relacionadas: 1J=0,24 cal o 1 cal=4,18J
1.3 Formas de transferirse la energía
Cuando dos cuerpos o sistemas materiales intercambian energía lo pueden hacer de dos formas:
1. Realizando trabajo cuando existe una fuerza que produce un desplazamiento.
2. En forma de calor cuando dos sistemas materiales están a distinta temperatura o se está produciendo un cambio de estado
2 El trabajo
No coincide el lenguaje habitual de trabajo que asociamos con un esfuerzo, “me ha costado mucho esfuerzo estudiar”, o con la expresión: “Voy al trabajo”, con el trabajo desde el punto de vista de la física.
Para que se realice trabajo debe de actuar sobre el cuerpo una fuerza (F) y este debe de recorrer un espacio (e).
El trabajo es el producto de la fuerza aplicada por el espacio recorrido, siempre que ambas magnitudes tengan igual dirección y sentido.
W=F.e Su unidad en el SI es N.m=l julio (J)
El trabajo es una magnitud escalar, queda definida por un número y su unidad.
El trabajo realizado por la fuerza de rozamiento es un trabajo negativo (recuerda la fuerza de rozamiento se opone al movimiento); la fuerza de rozamiento hace que se pierda energía cuando el cuerpo se desplaza.
Wr=-Fr.e
El trabajo es nulo cuando la fuerza y el espacio recorrido son perpendiculares.
Por ejemplo cuando levantamos una masa del suelo y el desplazamiento es horizontal, no se realiza trabajo. Como luego veremos lo que ha ocurrido es una variación de la energía del cuerpo, en forma de energía potencial.
El calor y la temperatura
Cuando tocamos un cuerpo, percibimos si está frío o caliente. Sin embargo, esa sensación es relativa, ya que depende de la persona que lo toca y del objeto tocado.
Por ejemplo, si tocamos un martillo nos parece más caliente el mango de madera que la parte metálica.
Podemos hacer una experiencia para identificar las sensaciones de frío y calor:
Llena tres vasos con agua: uno con agua con hielo, otro con agua caliente y el tercero con agua templada. Coloca la mano derecha en el recipiente con agua y hielo y la izquierda en el recipiente con agua caliente. Después de un rato, introduce ambas manos en el recipiente que contiene agua templada.
¿Qué notas? Seguramente la mano derecha notará calor y la izquierda notará frio.
Podríamos repetir la experiencia cambiando los recipientes de mano. La sensación cambiaría.
Luego el sentido del tacto no nos permite medir si un cuerpo está frio o caliente.
Escalas de temperatura
Se utilizan tres escalas: Celsius (grados Celsius, ºC) (también llamada centígrada), Fahrenheit (grados Fahrenheit, ºF) (en los EEUU y en el Reino Unido) y la del SI, la escala Kelvin (Kelvin, K).
Las tres escalas tienen la misma longitud. Se diferencian en los puntos iniciales 0ºC, 32 ºF y 273K;( estos puntos marcan el punto de fusión del agua) y en los puntos finales (punto de ebullición del agua) 100ºC, 212ºF y 373K.
Se divide la misma longitud en 100 partes, cada parte es 1ºC, 1,5ºF Y 1k. Teniendo esto en cuenta y los distintos números para los puntos de fusión y ebullición, podemos relacionar las escalas Kelvin y Fahrenheit con la Centígrada: ºF=ºC+32
K=ºC+273
La temperatura de 0K (-273ºC) se llama cero absoluto.
En esta temperatura, hoy inalcanzable, todas las partículas de los cuerpos estarían en reposo.
11 El calor
Otra de las formas de transferir energía es en forma de calor.
Esto ocurre cuando dos sistemas materiales están a distinta temperatura o se está produciendo un cambio de estado.
Cuando ponemos en contacto un cuerpo caliente (que tiene temperatura elevada) con uno frío (que tiene temperatura baja), sabemos que el caliente se enfría y el frío se calienta hasta quedar los dos con la misma temperatura, intermedia entre la fría y la caliente iniciales.
Ejemplo:
Si ponemos agua a 50º y añadimos agua a 15º, el calor pasa del agua a 50º al agua a 15º hasta que los dos adquieren la misma temperatura que será intermedia entre 50º y 15º
APLICACIÓN
1. Indica el tipo de energía asociada a cada sistema . Una tarta
2. Una batería de coche 3. El microondas 4. Una estrella
2.Indica el trabajo realizado en cada caso a) Sostiene una maleta de 5kg durante 1minuto.
b) Empujar durante 10m un armario de 200 kg con una fuerza de 500N sobre una superficie sin rozamiento.
c) Empujar el armario anterior por una superficie donde la fuerza de rozamiento es de 150N
3. Comenta las frases que son incorrectas:
a) La energía se transforma.
b) La energía no se degrada.
c) La energía se conserva
4.Indica cuál de las siguientes afirmaciones es incorrecta
a) El calor es energía que pasa de los cuerpos calientes a los fríos.
b) La energía no se crea ni se destruye solo se transforma.
c) El calor se mide con los termómetros
d) El calor y la temperatura son magnitudes distintas 5. Indica si las siguientes frases son verdaderas o falsas:
a) El calor es energía térmica.
b) La temperatura de un cuerpo está relacionada con la energía cinética de sus partículas.
c) Si partimos un cuerpo en dos partes de distinta masa, tiene más temperatura el que tenga más masa.
d) La madera es un buen conductor del calor.
6.Indica en cuál de las siguientes situaciones se realiza trabajo:
a) Jugar al fútbol b) Jugar al mus
c) Preparar un examen de ciencias
d) Sostener en el aire un peso de 5 kg durante media hora 6. La energía interna de un cuerpo depende de:
a) La cantidad de materia.
b) El volumen.
c) La temperatura.
d) El estado físico del cuerpo.
7. Indica los apartados que corresponden al calor y los que corresponden a la temperatura:
a) La unidad en el SI es el julio b) Se mide con el termómetro c) Depende de la masa d) Es una forma de energía e) Se mide con el calorímetro f) Se expresa en grados
g) Es una medida de la energía interna
TERMODINAMICA
La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía y la transformación entre sus distintas Manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo.
El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la
Termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. También se postula la existencia de una magnitud llamada entropía, que puede ser definida para cualquier sistema.
Primera Ley de la termodinámica: La primera Ley de la termodinámica15 tiene grandes aplicaciones en la optimización del rendimiento mecánico de nuestras industrias. Fue por ese motivo que, en la Revolución Industrial, se logró consolidar dicha ley, pues esta explica muchos fenómenos termodinámicos de nuestra naturaleza. Es también conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica.
Características
➢ Cuando la transferencia de energía (calor) hacia un sistema se pierde en un lugar, es ganada en otro lugar de acuerdo al principio de conservación de la energía.
➢ Si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará (la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma).
➢ Cuando se realiza un trabajo mecánico sobre un sistema cualquiera, dicho trabajo se emplea en aumentar la energía térmica del cuerpo y, por lo tanto, su temperatura.
Imagínese la siguiente situación: un gas se encuentra aislado (color amarillo). Es decir, que no tiene interacción con el ambiente exterior. Encima se tiene un pistón (color rojo) el cual tiene unas pesas encima (color negro). Al analizar el comportamiento del gas, se evidencian dos situaciones:
➢ Estado 1: cuando está sometida a transferencia de energía (calor).
➢ Estado 2: ya no se le suministra más
transferencia de energía (calor).
La ecuación general de la primera Ley de la termodinámica (conservación de la energía) es la siguiente:
ΔU = Q + W
ΔU = Cambio de la energía interna del sistema Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
RESUELVE:
➢ ¿Qué es la termodinámica?
➢ ¿Cómo se le conoce a la primera ley?
➢ ¿Qué significa que la energía no puede ser destruida?
➢ ¿Cómo se mide el calor? y ¿a cuánto equivale en julios Continua:
La segunda Ley de la termodinámica establece qué procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir.
Ejemplos: los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera Ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley.
Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.
La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa.
Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre.
Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda Ley
de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo.
El estudio de las Máquinas Térmicas
A pesar de estas ideas y teorías que quizá un poco confusas para las personas que no eran científicos en ese tiempo, el avance de la termodinámica se formuló en un momento de gran optimismo tecnológico, con la llegada de la revolución industrial.
En la mitad del siglo 19, los físicos e ingenieros estaban construyendo máquinas de vapor para mecanizar el trabajo y el transporte y estaban tratando de encontrar la manera de hacerlos más potentes y eficientes. Grandes científicos como Clausius, Kelvin, Joule contribuyeron en gran medida, aunque en cierta parte se le considera como padre de esta disciplina al físico francés Sadi Carnot .
El funcionamiento era así: el vapor formado en la caldera a alta presión, penetra el cilindro a través de la válvula A, que está abierta (en ese momento, la válvula B está cerrada). Entonces el pistón es empujado por el vapor, y pone en rotación una rueda que se halla conectada a él por un mecanismo observado en la figura. Cuando el pistón se acerca al extremo del cilindro, la válvula A se cierra y la B se abre, lo cual permite el escape del vapor hacia el condensador. Este es enfriado continuamente con un chorro de agua fría. El vapor se condensa así, produciendo una disminución de presión en el interior del cilindro, y haciendo que el pistón vuelva a su posición inicial. En este momento, la válvula B se cierra y se abre la válvula A, permitiendo nueva admisión de vapor en el cilindro; a continuación, se repite el ciclo. De esta manera, la rueda conectada al pistón se mantendrá así
continuamente en rotación.
RESPONDE:
A partir de la lectura responda para cada situación:
a) Indique con flechas la dirección en la cual se desarrolla el proceso.
b) Responda las siguientes preguntas:
Situación A
c) ¿Una vez el agua hierve, puede volver al estado inicial conservando la cantidad de agua inicial?
e) ¿Cuál fuente tiene mayor temperatura en la situación? ¿Cuál menor?
f) ¿Qué tipo de proceso es?
Situación B
g) ¿Al pasar el tiempo, puede el árbol crecer hacia abajo?
h) Si por accidente el árbol comienza a quemarse después de cuatro días, ¿podría el árbol volver a su estado inicial?
i) ¿Qué tipo de proceso es?
j) Una vez el hielo es sometido a una fuente de calor, ¿puede el hielo no derretirse?
k) ¿Cuál fuente tiene mayor temperatura en la situación? ¿Cuál tiene la menor?
l) ¿Qué tipo de proceso es?
3.3 ACTIVIDAD ASOCIADA A UN PROYECTO TRANSVERSAL: MEDIO AMBIENTE . Comenta: Cuales son los dos puntos de vista con respecto al calentamiento climático?
4. ACTIVIDAD EVALUATIVA
1. Un termo consta de dos recipientes separados por una zona de vacío. Cada recipiente, así como la zona de vacío, evita una forma de propagación del calor. ¿Cuál es la función de los recipientes?
2. Un alumno menciona que al abrir la ventana de su casa sintió cómo el frío ingresaba a su cuerpo. Mencionar cuál es la verdadera razón por la cual el niño tuvo la sensación de frío.
3. Siempre que un cuerpo recibe calor, ¿aumenta su temperatura?
4. Si un cuerpo pierde calor, ¿disminuye necesariamente su temperatura?
5. Explica ¿por qué un termo puede mantener el agua caliente.
6. Cuando los recipientes que se muestran en la figura se llenan con agua caliente, la temperatura del recipiente negro disminuye más rápidamente. ¿Explica a qué se debe esto?
7. Si se deja un refrigerador con la puerta abierta dentro de un cuarto cerrado, ¿se enfriará la habitación?
8. Mientras las manos se frotan, ¿cuál de ellas se calienta? ¿Pasa calor de una a la otra, o las dos reciben calor a la vez? ¿De dónde proviene ese calor?
9. Cuando una persona siente frío tiende a temblar o sentir escalofríos. ¿Cómo justificas este comportamiento?
10. Se desea hervir el agua que contiene un vaso y el agua que contiene una caneca. Si inicialmente los líquidos se encuentran a la misma temperatura, ¿a cuál de los dos líquidos se le debe proporcionar más calor?
11.Máquina termodinámica que convierte el calor en trabajo A. Refrigeradora
B. Bomba de calor C. Máquina de calor
D. Motor de combustión interna E. Ninguno de los anteriores 12.
13. Explica por qué el consumo de alimentos es un ejemplo de la segunda ley de termodinámica.
PLAN LECTOR:https://gestion-ambiental-biblioteca.blogspot.com/2013/09/cambio-climatico-y-la-termodinamica.html
