Equipo 8: Equilibrio Térmico y Cambios de Estado

Equilibrio Térmico

Dos cuerpos, sustancias o sistemas que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie  que permite la transferencia  de calor lo que se conoce como superficie diatérmica, se dice que están en contacto térmico.

Toda sustancia por encima de los = kelvin (-273,25°C) emite calor. Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura.

El equilibrio térmico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura cede energía térmica en forma de calor al que tiene más baja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.

La temperatura es una propiedad que permite determinar si en un sistema se encuenta o no el equilibrio térmico con otro sistema.

- Cosideremos dos cuerpos en contacto térmico. Si entre cuerpos no existe flujo de calor entonces se dice que ambos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico.

Algunas definiciones termodinámicas son las siguientes:

- Un foco termodinámico es un sistema que puede y/o escribir calor, pero sin cambiar su temperatura.

- Se dice que dos sistemas están en contacto térmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a otro.

Cambio de Estado

En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su descomposición.

Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; sin embargo, el estado de agregación más común en el universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas.

Difererntes cambio de estado o transformaciones de fase de la materia:

- Fusión: es el paso de un sólido a un líquido por medio del calor, durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido. Un ejemplo podría se un hielo derritiéndose, pues pasa de estado sólido a líquido.

- Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. "El punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio.

Vaporización y Ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a un estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continua calentándose el líquido, este absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso, En ese momento es posible aumentar el gas.

- Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma sólida, Es el proceso inverso a la vaporización.

- Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

- Desionización: Es el cambio de un plasma a gas.

- Ionización: Es el cambio de un gas a un plasma.

En todas las transformaciones de fase de la sustancias, éstas no se transforman en otras sustancias, solo cambia su estado físico.

Los cambios de estado están divididos generalmente en dos tipo: progresivos y regresivos.

- Cambios progresivos: Vaporización, fusión y sublimación progresiva.

- Cambios regresivos: Condensación, solidificación y sublimación regresiva

Video: https://www.youtube.com/watch?v=U8XvRHS_i7I&feature=youtu.be

Principio de Arquímides
El principio de Arquímides es un principio físico que afirma que: "Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja". Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímides, y se mide en newtons (en el SI). El principio de Arquímides se formula así:

Donde E es el empuje, pf es la densidad del fluido, V el "volumen del fluido desplazado" por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa. De este modo, el empuje depende de la densidad del fluido del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje actúa verticalmente hacia arriba y esta aplicado en el centro de la gravedad del cuerpo;este punto recibe el nombre del centro de carena.

El principio de Arquímides permite determinar también la densidad de un objeto cuya forma es ta irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si este está totalmente sumergido. Así puede determinarse fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen), Si se requiere una precisión muy elevada, también hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos. Esto explica porque flota un barco muy cargado; su peso total es exactamente igual al peso del agua que desplaza, y ese agua desplazada ejerce la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.

Empuje

El concepto clave de este es el "empuje", que es la fuerza que actúa hacia arriba reduciendo el peso aparente del objeto cuando éste se encuentra en el agua. El principio de Arquímides permite determinar  la densidad de un objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede determinarse fácilmente la densidad del objeto.
Es importante hacer notar que la fuerza de empuje no depende del peso del objeto sumergido sino solamente del peso del fluido desalojado, es decir si tenemos diferentes materiales (acero, aluminio, bronce), todos de igual volumen, todos experimentan la misma fuerza de empuje.
Se produce debido a que la presión de cualquier fluido en un punto determinado depende principalmente de la profundidad en que este se encuentre o bien, a la cantidad de fluido que tenga encima.
Cuando se sumerge un cuerpo en un líquido parece que pesará menos. Lo podemos sentir cuando nos sumergimos en una piscina, o cuando tomamos algo por debajo del agua, los objetos parecieran que pesan menos. Esto es debido a que, todo cuerpo sumergido recibe una fuerza de abajo hacia arriba.
Esta presión ejerce una fuerza sobre cualquier cuerpo sumergido en el fluido y tiene la propiedad de ser perpendicular a la superficie del cuerpo.
Si pensamos en un cuerpo cúbico sumergido es evidente que algunas de sus caras estará mas profunda que el resto de ellas, Dado que la presión ejerce una fuerza sobre todas las caras sin importar cual sea y siempre perpendicular a esta, la fuerza que se ejerce sobre a cara más profunda es mayor que la fuerza sobre la cara menos profunda, lo que da como resultante una fuerza ascendente que es la fuerza de empuje.
En las caras laterales no ocurre esto ya que las fuerzas laterales se restan puesto que, punto a punto, se encuentran a la misma altura.

Elementos de Empuje

Peso Aparente (Pap)
EL peso (P) de un cuerpo, cuando está total o parcialmente inmerso en un fluído, disminuye y en este caso es llamado de peso aparente
Equilibrio de Cuerpos Inmersos y Fluctuantes
Vamos a considerar un cuerpo sumergido en un líquido. Sabemos que apenas dos fuerzas actúan sobre el: Su Peso (P) y el Empuje (E).
Se distinguen tres casos
1er. Caso: El peso es mayor que el empuje (P > E)
En este caso el cuerpo descenderá con aceleración constante (Condiciones ideales).
Se verifican las expresiones de P y E, se concluye que esto sucederá si la densidad del cuerpo fuese mayor que la densidad de un líquido, esto significa que dC > dL.
2do. Caso: El peso es menor que el empuje (P < E)
En este caso el peso subirá con aceleración constante hasta quedar fluctuando en la superficie del líquido, el empuje comenzará a disminuir, pues disminuirá la parte sumergida y por lo tanto, el volumen del líquido desplazado.
El cuerpo subirá hasta que el empuje quede igual al peso del cuerpo que es constante.
Es esa condición(P=E) El cuerpo quedará en equilibrio, fluctuando en el líquido
3er. Caso: EL peso es igual al empuje (P=E)
En este caso el cuerpo quedará en equilibrio cualquier fuese colocado. Esto sucederá cuando la densidad del cuerpo fuese igual a la densidad del liquido .

Ejemplo con un caso práctico: Porque los barcos no se hunden?

Los barcos no se hunden porque su peso específico es menor al peso específico del agua, por lo que se produce un empuje mayor que mantiene al barco a flote.

Esto a pesar de que el hierro o acero con que están hechos generalmente los barcos es de peso específico mayor al del agua y se unde (un pedazo de hierro en el agua se va ala fondo), pero si consideramos todas las partes de del barco incluyendo los compartimientos vacíos, el peso específico general del barco disminuye y es menor al del agua, lo que hace que este se mantenga a flote.

Las aplicaciones a este principio son muchas tan así que podemos encontrarlas  de forma muy cotidiana, hasta ejemplos a nivel industrial.

Sin duda, principal ejemplo de aplicación de la flotación está en las embarcaciones, grandes o pequeñas  estas requieren de un estudio de flotación para si costrucción. (Sin olvidar que por simple suspicacia de la gente las construye sin estudiar el diseño).

Un tipo de hidrómetro empleado universalmente en los talleres para determinar el peso específico del líquido de las baterías de los automóviles se utiliza bajo el principio de Arquímides. Un flotador se hunde o no hasta cierta señal, dependiendo del peso específico de la solución en la que flota. Así, el grado de carga eléctrica de la batería puede determinarse, pues depende del peso espesífico de la solución.


 Bibliografía:

https://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Arqu%C3%ADmedes

http://www.profesorenlinea.com.mx/fisica/ArquimedesPrincipio.htm

https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_de_empuje

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/ArquimedesEmpuje.htm