Resolución de problemas en Termodinámica

Metodología propuesta para el curso Agosto-Diciembre 2013.

Versión PowerPoint aquí.

Más sobre experimentos asombrosos

A continuación algunos experimentos sencillos que puedes replicar en el laboratorio o en casa.

Vasos de plástico que soportan el peso de una persona

Un vaso levanta una bandeja



Arreglando una pelota de ping pong

Principio de funcionamiento de un termómetro de gas a volumen constante

¿Quieres saber como funciona? Haz click aquí.

Y para terminar un análisis de (la falta de) bases científicas en Hollywood:

Errores científicos en el cine

Visita la página de Cayetano Gutiérrez Pérez dando click aquí.

Balance de fuerzas en un manómetro

Cuando un líquido se encuentra en equilibrio en un recipiente, cada capa de líquido debe soportar el peso de todas las que están por encima de ella. Esa fuerza aumenta a medida que se gana en profundidad y el número de capas aumenta, de manera que en la superficie la fuerza (y la presión) es prácticamente nula, mientras que en el fondo del recipiente la presión es máxima.

La presión debida a una columna de fluido puede calcularse a través de la ecuación de la hidrostática:

Esta ecuación es el principio bajo el cual operan los manómetros diferenciales. Los manómetros son los instrumentos utilizados para medir la presión de fluidos (líquidos y gases). El manómetro de tubo en U consta de un tubo de vidrio doblado en forma de U lleno parcialmente con un líquido de densidad conocida; una de sus ramas se conecta al sistema del que se quiere conocer la presión, mientras que la otra rama generalmente se deja libre a la atmósfera (aunque también puede conectarse a un sistema de presión conocida).

La presión ejercida en el lado de mayor presión produce el desplazamiento del líquido dentro del tubo, lo que se traduce en una diferencia de altura "h", la cual se conoce como "carga hidrostática". De aquí que la presión también puede darse en unidades de longitud en función de algún líquido (ejemplo: metros de agua, centímetros de mercurio, etc). La carga hidrostática depende de la presión y de la densidad del líquido en el tubo.

Los manómetros de tubo en U también pueden medir presiones de vacío, la diferencia es que la columna de líquido ascenderá en la rama de baja presión.

La forma en cómo realizar un balance de fuerzas en un manómetro se muestra en el siguiente video:

O puedes obtener la presentación en formato pps aquí. También puedes consultar los apuntes aquí.

Las leyes de la Termodinámica: videos de "Universo Mecánico"

"Universo Mecánico" es una serie de videos documentales con temas referentes a Física. Fue elaborado por el 'California Insitute of Technology' y por 'The Corporation of Comunity College'. Dentro de los tema que trata esta serie se encuentran las LEYES DE LA TERMODINÁMICA.

A continuación los videos:

Parte 1:

Parte 2:

Parte 3:

Parte 4:

Si deseas saber más acerca de esta serie haz click 'aquí', 'aquí' o 'aquí'.

Propiedades termodinámicas fundamentales

A continuación se presentan los conceptos de algunas propiedades termodinámicas fundamentales así como algunos videos de apoyo para reforzar el concepto.

Masa y Peso
La masa es la medida de la materia de un objeto, mientras el peso se refiere a la fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre un objeto colocado en la superficie terrestre o próximo a ella.

Volumen molar
A condiciones estándar (0°C y 1 atm) una mol de cualquier gas ocupa aproximadamente 22.4 litros. Esto sólo es válido para gases, no para sólidos ni líquidos.

1 mol de gas = 6.022 x1023 moléculas de gas = 22.4 litros

Mol
Es la cantidad de sustancia particular que contiene el mismo número de partículas que los átomos presentes en 0.012 kg del isótopo de carbono puro 12C.

1 mol = 6.022 x1023 átomos, moléculas, iones, electrones

(Número de Avogadro)

Nota: por convención: 1 mol = 1 gmol

Calor y temperatura
El calor se define como la energía que se transfiere de un objeto a otro por una diferencia de temperatura, mientras que la temperatura es una medida de la energía cinética promedio que poseen las moléculas que forman una sustancia.

Potencia
Es una medida de la rapidez con que se realiza un trabajo. Mientras más rápido se realiza el trabajo la potencia que se desarrolla es mayor. La potencia nos da la noción de la capacidad de un sistema para ejecutar un trabajo en el menor tiempo posible. Una motor que puede mover un determinado peso una distancia de 1 metro en un sólo segundo es más 'potente' que otro capaz de desplazar el mismo peso en 2 segundos.

El mol y la fracción molar

Material desarrollado para la materia de Termodinámica (AEF-1065).

Si quieres obtener la presentación en pps haz click aquí.

Si quieres saber más acerca de este tema, ve el siguiente video:

¿Qué hace un(a) Ingeniero(a) Químico?

Material elaborado para el curso de Termodinámica.

Videos ilustrativos: densidad

La densidad se define como la masa por unidad de volumen. mientras que la densidad relativa es la relación entre la densidad de un material y la densidad de una sustancia de referencia, a una temperatura especificada.

• La densidad de los gases varía con la temperatura y con la presión.
• La densidad de los líquidos varía con la temperatura (en menor medida). Prácticamente no cambia con la presión.
• La densidad de los sólidos no se ve afectada significativamente ni con la temperatura ni con la presión.
• La densidad relativa es adimensional.
• La densidad del agua a temperatura ambiente es de 1 g/cm^3 (62.3 lb/ft^3).
• Para los gases la sustancia de referencia es el aire. Para los gases debe especificarse presión y temperatura.

A continuación unos videos ilustrativos:

Flotabilidad y Arquímedes

Densidad del agua con sal

Densidad Relativa

Densidad de sólidos

Curiosa columna de aceite

La lata de bebida restaurada y otros trucos

He aquí un ejemplo de aplicación de los conocimientos científicos en la recreación. En el truco de magia de una lata de bebida restaurada se hace uso de la presión para hacernos creer que el mago de manera mágica ha logrado restaurar un lata dañada a su estado original. A estas alturas tú ya sabes que eso no es posible, ya que la segunda ley de la Termodinámica nos dice que la lata no recuperará su estado original de manera espontánea. El mago hace uso del gas solubilizado que contiene la bebida para esto. La lata está llena y sin abrir, el mago hace un pequeño agujero en la lata para vaciar un poco del contenido para poder deformar la lata y gasificar el dióxido de carbono que se encuentra solubilizado como ácido carbónico. Sella el orificio con cinta adhesiva, aprieta la lata para deformarla; en la parte de arriba coloca un pedazo de papel negro para que la lata aparentara estar abierta. Al agitarla el gas contenido en la bebida abandona la solución acuosa, pasa otra vez al estado gaseoso y ejerce presión sobre las paredes de la lata, con lo que algunas hendiduras desaparecen. El resto del truco se explica solo.

El siguiente truco se explica a través de los conceptos de densidad y presión, tal como se explica en el video.

Y el siguiente 'truco' se basa en la propiedad que tienen los alcoholes para desnaturalizar las proteínas. Observa como un huevo puede 'freirse' sin calor.

Experimentos divertidos

Experimentos con gases

Experimentos con una botella de plástico

Espuma para afeitar: presión al vacío

Experimento de la vela: conservación de la energía

Expansión y compresión de los gases

El huevo que rebota

Sacando un corcho de una botella

Leyes Gatunas

• Ley de la inercia gatuna: Un gato en reposo seguirá en reposo hasta que sea movido por alguna fuerza exterior, algo así como el ruido de la apertura de una lata de comida para gatos.

• Ley del movimiento gatuno: Un gato siempre se moverá el línea recta a no ser que tenga una muy buena razón para cambiar de dirección, como por ejemplo la apertura de una lata de comida para gatos.

• Ley del magnetismo gatuno: Los abrigos, las americanas y los jerseys atraen el pelo de gato en proporción directa a la oscuridad de la pieza.

• Ley de la termodinámica gatuna: El calor se transfiere de un cuerpo caliente a uno frío excepto en el caso del gato, en el que cualquier tipo de calor se transfiere al gato.

• Ley de estiramiento gatuno: Un gato siempre se estirara en una longitud directamente proporcional a la duración de la siesta hecha.
• Ley del dormimiento gatuno: Todo gato intentará dormir con humanos siempre que sea posible, y en una posición que sea lo más incomoda posible para estos
• Ley de la elongación gatuna: Un gato puede alargar su cuerpo lo suficiente para alcanzar cualquier sitio que contenga alguna cosa mínimamente interesante para él.

• Ley de la aceleración gatuna: Un gato acelerará su velocidad constantemente hasta que le parezca bien y se pare.
• Ley de servicio de mesa: El gato será servido de todas las cosas buenas que hay en la mesa a la hora de cualquier comida.
• Ley de la configuración de las alfombritas: Ninguna alfombrita permanecerá en su estado plano natural demasiado tiempo.
• Ley de la resistencia gatuna a la obediencia: La resistencia de un gato varia en proporción directa al deseo humano de que haga algo concreto.

• Primera ley de la conservación de la energía: Dado que los gatos saben que la energía ni se crea ni se destruye, usan la menor cantidad de energía posible.

• Segunda ley de la conservación de la energía: Los gatos saben asimismo que la energía solo puede almacenarse haciendo muchas siestas.

• Ley de la observación del refrigerador: Si un gato observa detenidamente un refrigerador durante tiempo suficiente, conseguirá que alguien venga y le de algo bueno de comer.

• Ley de atracción de la manta eléctrica: Enchufando la manta eléctrica se conseguirá que el gato suba a la cama a la velocidad de la luz.
• Ley de la búsqueda aleatoria de confort: Un gato siempre buscará, y normalmente encontrará, el lugar más confortable de una habitación dada.

• Ley de la ocupación de la bolsa/caja: Toda caja o bolsa dejada en una habitación, será ocupada por un gato en el primer momento posible.

• Ley del desconcierto gatuno: La irritación de un gato crece en proporción directa al desconcierto que le proporciona la risa humana.
• Ley de consumo lácteo: Aunque este harto, un gato siempre podrá beber su peso en leche solo para demostrarte que puede hacerlo.
• Ley de las fundas: El deseo de un gato de arañar cualquier sofá es directamente proporcional a valor de este.

Visto en: http://adeangelito.spaces.live.com/blog/

Un invento que termina mal

El Dr. Bunsen y su ayudante Beaker demuestran el funcionamiento de un calentador eléctrico para la nariz; sin embargo las cosas no salen de acuerdo al plan.

Práctica 1. Medición de la presión atmosférica en Toluca

Estudiantes de Ingeniería Química del Instituto Tecnológico de Toluca construyen un barómetro de mercurio.

Chistes para Ingenieros

Erase una vez una fiesta de vectores, todos bailaban muy felices cuando de repente uno voltéa a la esquina y ve a un escalar llorando. Cuando se acerca a preguntarle que tenia el escalar responde: "es que mi vida no tiene sentido"

- ¿Qué le dijo el electrón al spin?? - ¿Me regalas un momento?

Las tres leyes de la termodinámica : 1) No puedes ganar. 2) No puedes empatar. 3) No puedes abandonar el juego.

Newton le dijo a su novia: -Mi amor por ti es como la fuerza gravitacional.

Y ella le contestó: -Aww que lindo! porque es constante, ¿verdad?

Y Newton le contestó: -No, porque disminuye con el cuadrado de la distancia

Un optimista ve un vaso medio lleno. Un pesimista ve un vaso medio vacio. Un ingeniero ve un vaso demasiado grande.

- Que dice un pollito inteligente????? - 3,14159…; 3,14159…; 3,14159…; 3,14159...

-¿Qué hace un electrón cuando cae al suelo? - Plaaanck!!! - ¿Y cuándo eructa? - Booohr!!!

Declaro que me gustan los polinomios, pero sólo hasta cierto grado.

Cómo se suicidó un atomo? Se tiró de un puente de hidrógeno!

Quién defiende a los ingenieros químicos en los juicios? El "Avogadro"

- Cual es el animal que tiene entre 3 y 4 ojos? - El piojo.

Iba un átomo caminado por la calle con cara de preocupación. Un átomo conocido lo ve y le pregunta: - Qué tal amigo, ¿Por qué tan estresado?

- Es que perdí un electrón, respondió.

-¿Estás seguro? - Sí, estoy completamente positivo.

En cierta ocasión, se encontraban reunidos los sabios de la ciencia, Isaac Newton, Nicolas Copérnico, Carlos Darwin, Arquímedes, por decir algunos. De entre el bullicio de las pláticas resalto la voz de John Dalton:

- Amigos mios, les propongo realizar un juego para poder divertirnos un rato.

Bernoulli alzó la voz: que tal un juego de escondidillas-

Ninguno de los presentes tuvo problemas con eso. Por votacion el primer turno en buscar fue para Arquímedes, éste empezo el conteo mientras los demás se escondian. Todos estaban escondidos cuando Arquímedes llevaba ya la mitad del conteo, todos excepto Newton, a quien se le habian terminado las opciones de escondites, al no tener otra opción, agarro un gis y trazo un cuadrado de 1m en el suelo y se paro en el centro de éste. Termina el conteo Arquímedes y al voltear ve a Newton parado dentro del cuadrado, y dice casi gritando:

-1,2,3 por Newton

Newton solamente lo mira fijamente y lo niega con la cabeza , Arquímedes se queda extrañado y repite de nuevo:

-1,2,3 por Newton

Newton de nuevo lo niega con la cabeza , Arquímedes, se enoja y dice:

-como no?!, si tu eres Newton

Éste le contesta: no porque Newton sobre metro cuadrado es Pascal...

La presión absoluta

La presión atmosférica no es otra cosa que el peso del aire que se encuentra sobre la superficie terrestre. El valor de la presión atmosférica varía en cada lugar del planeta en función de su altitud; mientras la elevación se incrementa, la presión atmosférica va disminuyendo ya que la columna de aire que soporta es menor. La presión atmosférica al nivel del mar es de 1 atmósfera de presión, que equivale a 101.325 kPa.

A la presión atmosférica también se le conoce como presión barométrica y se mide con un barómetro.

La presión manométrica es la producida por un medio diferente al de la atmosférica, un ejemplo de presión manométrica es la fuerza ejercida por las moléculas de gas de un refresco sobre las superificies del envase:

¿Qué pasaría con la presión del refresco si aumentas la temperatura? ¿Y si lo enfrías?

La presión absoluta es la presión 'real' en un punto dado. En el ejemplo anterior, el envase de refresco no sólo debe soportar la presión atmosférica (externa), si no también la presión manométrica (interna), por lo que la presión real que soporta el sistema será:

Presión real = Presión atmosférica (debida al peso de la atmósfera) + Presión del gas

O para cualquier sistema:

Presión absoluta = Presión atmosférica + Presión manométrica

La presión de un sistema no sólo depende de la masa adicional (en este caso, del gas adicionado), si no que también puede variar en función de la temperatura. Al disminuir la temperatura el movimiento molecular del gas disminuye y por lo tanto también disminuye la fuerza con la que impactan las paredes del envase, y por lo tanto disminuye la presión.

¿Qué pasa si en lugar de adicionar gas (como en el ejemplo del refresco) eliminas una cantidad del mismo (como cuando haces vacío en un recipiente, por ejemplo en el laboratorio)? Al disminuir la masa del sistema, disminuye también el peso que ejerce la misma y por lo tanto la presión 'real' del sistema será menor a la atmosférica. Por lo tanto es lógico concluir que para presiones de vacío la presión real sea:

Presión real = Presión atmosférica (debida al peso de la atmósfera) - Presión que ejercía el gas que se eliminó

O para cualquier sistema:

Presión absoluta = Presión atmosférica - Presión manométrica de vacío

Lo anterior se ilustra en esta figura:

Aquí algunos videos que pueden interesarte:

Construcción de un barómetro de mercurio

Alumnos del Instituto Tecnológico de Toluca elaboran un barómetro de mercurio.

La Ley Cero de la Termodinámica y la operación pollito

La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos están en contacto por un tiempo lo suficientemente largo, alcanzarán la misma temperatura y pasado un tiempo no se observará ningún cambio en el contenido térmico de éstos (equilibrio térmico). Si estos cuerpos se ponen en contacto con un tercero, también alcanzarán el equilibrio térmico entre sí. Los tres cuerpos tendrán la misma temperatura.

Es gracias a la ley cero de la termodinámica que podemos combatir el frio, realizando la conocida 'operación pollito', algo que los estudiantes del tecnológico de Toluca conocen bien :)

Hablando de la Ley Cero...

El cuerpo humano genera energía que se pierde hacia el medio ambiente en forma de calor. Las chamarras, abrigos, cobijas y ropa en general nos ayudan a retener ese calor (actúan como "paredes adiabáticas", aunque en realidad sólo son 'aislantes') impidiendo que éste se disipe al medio. Esto quiere decir que la ropa no produce calor, si no que retarda su transferencia.

Gato con master en termodinámica, aprovechando su conocimiento de la Ley Cero para alcanzar el equilibrio térmico con el calentador y "no pasar frío".

Con todo esto en mente, y tus conocimientos previos, quizá quieras contestar alguna de las trivias de CIENTEC.

Más acerca de la transferencia de calor, haz click aquí.

Tipos de presión

La presión se define como la fuerza normal a una superficie real o ficticia, ejercida por unidad de área en el sistema. Es la fuerza normal por unidad de área que actúa sobre la fronteras del sistema.

Tipos de presión

1. Atmosférica Es el peso del aire sobre la superficie terrestre. Varía con la altitud y la temperatura.

2. Manométrica Es la producida por un medio diferente al de la atmósfera. Puede ser positiva o negativa (de vacío)

3. Presión absoluta Es la presión real en un punto determinado del sistema. Se obtiene a partir de la suma algebraica de la presión atmosférica y la manométrica (positiva o negativa)

Aquí, algunos videos al respecto:

Presión atmosférica 1

Presión atmosférica 2

Presión atmosférica 3

Presión de vacío

Los Simpsons y la Termodinámica

Si eres un fanático de "Los Simpsons" seguramente recordaras el siguiente episodio:

No cabe duda de que "Los Simpsons" es una de las series televisivas más graciosas, pero ¿cuál es el chiste en esta escena?

"Lisa, en esta casa obedecemos las leyes de la termodinámica"

La máquina que Lisa ha inventado viola la primera ley de la termodinámica dado que no existe ningun dispositivo que pueda generar más energía que la que recibe ("cada vez camina más rápido"). Esta máquina comete una violación a la segunda ley de la termodinámica también, pues ésta establece que no existe ningun dispositivo que sea capaz de transformar al 100% un tipo de energía en otro (especialmente el calor, que es considerado un tipo de energía de "baja" calidad). Toda máquina térmica (incluyendo las máquinas térmicas ideales) son incapaces de alcanzar una eficiencia de 100%.

¿Para qué más nos sirve la termodinámica?

Además de que nos sirve para elaborar diálogos graciosos, la termodinámica tiene útiles aplicaciones no sólo en ingeniería, sino en la vida diaria. Por ejemplo, ¿alguna vez te has preguntado por qué razón cuando horneas un pastel y tocas las rejillas metálicas del horno te quemas? ¿por qué esto no ocurre al meter la mano al horno y ésta entra en contacto con el aire que se encuentra adentro a la misma temperatura que las rejillas...? Esto está relacionado con la capacidad calorífica y la conductividad térmica de las diferentes sustancias.

Éstas mismas propiedades (aunadas a otras) permiten explicar el "fenómeno paranormal" de caminar sobre brasas encendidas. Si quieres leer acerca de un profesor de termodinámica qu e camina sobre brasas, haz click aquí. La ley cero de la termodinámica nos ha permitido establecer diferentes escalas de temperatura así como diseñar dispositivos para su medición. Las leyes de la termodinámica nos dicen que la entropia (desorden) del universo está en constante aumento, por lo cual también nos brindan una excelente justificación para el estado de caos en el que en ocasiones se encuentra nuestra recámara ;)

Como ingeniero químico, la termodinámica te proporcionará las bases para el diseño de equipos. Las leyes de la termodinámica rigen la transformación de la energía, por lo que son es fundamental conocerlas para tu formación como ingeniero de procesos.

¿Puedes pensar en alguna otra aplicación de la termodinámica? Si no es así, no te preocupes, en el desarrollo del curso irás descubriendo muchas otras aplicaciones.

Éxito.