Cambios de Energía Interna por Calor y Trabajo, Primera Ley de la Termodinámica y la recapitulación de éstos mismos.

Cambio de la energía interna en trabajo y calor.

El calor (representado con la letra Q) es la energía transferida de un sistema a otro (o de un sistema a sus alrededores) debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos. El calor que absorbe o cede un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que ha experimentado dicho sistema.

Dos o más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta temperatura alcanzan, pasado un tiempo, el equilibrio térmico (misma temperatura). Este hecho se conoce como Principio Cero de la Termodinámica, y se ilustra en la siguiente figura.

Un aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no almacenan calor sino energía interna. El calor es por tanto la transferencia de parte de dicha energía interna de un sistema a otro, con la condición de que ambos estén a diferente temperatura. Sus unidades en el Sistema Internacional son los julios (J)

La expresión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta sustancia con la variación de temperatura Δt que experimenta es:

donde c es el calor específico de la sustancia.

El calor específico (o capacidad calorífica específica) es la energía necesaria para elevar en un 1 grado la temperatura de 1 kg de masa. Sus unidades en el Sistema Internacional son J/kg K.

 

El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento. Vamos a particularizar la expresión general del trabajo para un sistema termodinámico concreto: un gas encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento.
Por efecto de la presión (p) ejercida por el gas, el pistón sufre una fuerza F que lo desplaza desde una posición inicial (A) a una posición final (B), mientras recorre una distancia dx.



A partir de la definición de presión, se puede expresar F y el vector desplazamiento dl en función de un vector unitario u, perpendicular a la superficie de la siguiente forma:
Calculamos el trabajo realizado por el gas desde el estado A al estado B en este proceso:

El producto Sdx es la variación de volumen (dV) que ha experimentado el gas, luego finalmente se puede expresar:




En el Sistema Internacional el trabajo se mide en Julios (J).
Este trabajo está considerado desde el punto de vista del sistema termodinámico, por tanto:

El trabajo es positivo cuando lo realiza el gas (expansión) y negativo cuando el exterior lo realiza contra el gas (compresión).

Seman13 martes SESIÓN 37	PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
contenido temático	Cambio de la energía interna en trabajo y calor.

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales ·         Conocerán el cambio de la energía interna a trabajo y calor. Procedimentales ·         Reconoce y analiza dos formas en la transformación de energía a trabajo y calor ·         Elaboración de acetatos y manejo del proyector. ·         Presentación en equipo Actitudinales ·          Confianza, colaboración,  cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia.
Materiales generales	De laboratorio: MATERIAL: Madera, metal, piedra, taladro con broca, termómetro. De proyección: -          Pizarrón, gis, borrador -          Proyector de acetatos De computo: -          PC, y proyector tipo cañón -          Programas: Gmail, Googledocs. Didáctico: -          Resumen escrito en  documento electrónico.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor de acuerdo a su Planeación de clase plantea las preguntas siguientes: Preguntas ¿Qué le ocurre a la energía interna por  el calor? Ejemplos de cambio de energía interna por calor ¿Qué le ocurre a la energía interna por  el trabajo? Ejemplos de energía interna por trabajo ¿Cómo se define la primera ley de la termodinámica? Expresión matemática de la primera ley de la termodinámica Equipo 3 2 6 5 1 4 Respuesta Cuando cierta cantidad de calor se aplica a un cuerpo, la energía interna de este, aumenta. El universo termodinámico es minúsculo y está constituido por el sistema y sus alrededores, con el cual el sistema puede intercambiar energía como calor o trabajo. La energía interna es la energía total asociada a los componentes microscópicos (átomos y moléculas) de un sistema, vista desde un referencial solidario al centro de masas del mismo, por lo tanto la energía se iguala. Un ejemplo es al remover la tierra con un taladro ya que este genera movimiento y gracias a la energía mecánica producida se genera el calor interno en la superficie taladrada Establecer que al suministrar una determinada cantidad  de calor (Q) a un sistema, esta cantidad de energía será igual a la diferencia del incremento de la energía interna del sistema(∆U) menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores ∆U=Q-W Eac=∑ E1 Eac= energía acumulada ∑EI = calor + trabajo la energía en forma de calor que se ganó o perdió más la energía en forma de trabajo que se ganó o perdió. ¿Se podría colocar una botella tapada llena de agua dentro de una masa de hielo en derretimiento sin temor a que se rompa? b) Una botella llena de agua se encuentra dentro de una masa de hielo a 0 °C, y otra, dentro de agua a la misma temperatura. ¿En cuál de las botellas el agua se congelará antes? Después en equipo y grupalmente, discuten y sintetizan el contenido de las respuestas.                                                            FASE DE DESARROLLO Conversión de trabajo en calor PROCEDIMIENTO: Conversión de trabajo en calor PROCEDIMIENTO: A.- Colocar la broca al taladro y aplicar durante 5 minutos la acción de taladrar a la madera, el metal y la piedra. Inmediatamente medir la temperatura en la perforación de cada material, anotar los datos: Observaciones: Equipo Temperatura madera Metal Piedra 1 2 3 4 5 6 Graficar los datos para cada material (equipo-material-temperatura). a)      Si se congelara el agua contenida en la botella, el vidrio se rompería a consecuencia de la dilatación del hielo. No obstante, en las condiciones especificadas el agua no se helará. Para ello no sólo habría que reducir la temperatura hasta 0 °C, sino también haría falta disminuir el calor latente de fusión en 80 calorías por cada gramo de agua que se congela. El hielo, dentro del cual se encuentra la botella, tiene una temperatura de 0 °C (se derrite) y, por consiguiente, el agua no transmitirá calor al hielo: la transmisión de calor es imposible cuando las temperaturas son iguales. Como el agua no cede calor a 0 °C, permanecerá en estado líquido. Por ello, no hay que temer que la botella se rompa. b) El agua no se congelará en ninguna de las botellas. En ambos casos la temperatura es de 0 °C, por consiguiente, el agua contenida en la botella se enfriará hasta 0 °C, pero no se helará, pues no podrá ceder calor latente de fusión al ambiente: si los cuerpos tienen temperaturas iguales, no intercambian calor. Después discuten y sintetizan el contenido                                                             FASE DE CIERRE       Al final de las presentaciones se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió. Para generar una conclusión grupal relativa a la conversión de energía interna en calor y trabajo. Revisa el trabajo a cada alumno y lo registra en la lista de MOODLE. Actividad Extra clase: Los alumnos: Ø  Elaboraran su informe,  para registrar sus resultados en su Blog. Ø  Indagaran los temas siguientes de acuerdo al cronograma, y los depositaran en su Blog personal en la cual contendrá su información, Ø  Los integrantes de cada equipo, se comunicaran la información indagada y la procesaran en Googledocs,   Analizaran y sintetizaran los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente sesión.
evaluación	El profesor revisara el Informe de la actividad depositado en el Blog personal.     Contenido: -           Resumen de la indagación bibliográfica. -          Informe de las actividades en el Aula-laboratorio.

Primera ley de la termodinámica

La Primera Ley o Primer Principio de la Termodinámica es solamente el principio de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse, la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema.

El calor y el trabajo son las formas mediante las cuales los sistemas pueden intercambiar energía.

“El incremento en la energía interna de un sistema es igual a la suma de la cantidad de calor que le fue transferido y la suma de la energía que le fue transferida en forma de trabajo”

ΔU=Q+W

Q es el calor, es positivo si fluye de los alrededores al sistema, y negativo si fluye del sistema al medio que lo rodea. 

W es el trabajo, el cual es negativo si el sistema realiza trabajo, positivo en caso contrario.

Semana13 jueves SESIÓN 38	PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
contenido temático	La 1ª. Ley de la Termodinámica.

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales ·         Conocerán la  1ª. Ley de la Termodinámica. Procedimentales   ·         Reconoce y ejemplifica la primera ley de la termodinámica en procesos simples Actitudinales Confianza, cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia.
Materiales generales	De laboratorio: -          Parrilla eléctrica, dos vasos de precipitados de 250 ml, termómetro. De proyección: -          Pizarrón, gis, borrador -          Proyector de acetatos De computo: -          PC, y proyector tipo cañón -          Programas:  Gmail, Goolgedocs. Didáctico: -          Resumen escrito, en documento electrónico.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor les plantea la siguiente pregunta:  ¿Sería posible calentar el agua mediante vapor de 100 °C hasta que empiece a hervir? Escribir su respuesta: Equipo 1 2 3 4 5 6 Respuesta No Si No No Si no Los equipos trabajaran con la información que indagaron para contestar  la pregunta. -          Uno de los alumnos de cada equipo lee la respuesta de su equipo y se aclaran dudas. FASE DE DESARROLLO -          Colocar en un vaso  de precipitados 50 ml  de agua, colocar sobre este vaso  otro vaso con 50 ml de agua y medir su temperatura. -          Colocar el conjunto de los dos vasos sobre la parrilla. -          Calentar  hasta ebullición del agua del vaso de precipitados inferior y medir la temperatura del vapor, medir el tiempo  de ebullición del agua  del  vaso inferior y la temperatura del agua del vaso superior. Observaciones: Equipo Temperatura inicial del agua Vaso superior Temperatura del vapor vaso inferior Temperatura final del agua Vaso superior Tiempo en e bullir el agua vaso inferior. 1 2 3 4 5 6 Graficar los datos obtenidos: El vapor calentado hasta 100 °C puede ceder calor al agua siempre que la temperatura de ésta sea inferior a los 100 °C. A partir del instante en que se igualan las temperaturas del vapor y el agua, el primero deja de transmitir calor a la segunda.  Por ello, es posible calentar agua hasta 100 °C mediante el vapor que tiene esa misma temperatura, pero éste no podrá transmitirle la cantidad de calor necesaria para pasar al estado gaseoso. Por consiguiente, se puede calentar agua hasta la temperatura de ebullición mediante el vapor, cuya temperatura es de 100 °C, más es imposible lograr que empiece a hervir: seguirá en estado líquido. El Profesor solicita a los alumnos que  presenten resultados, empleando la técnica seleccionada. FASE DE CIERRE        Al final de las presentaciones se lleva a cabo una discusión extensa, en la clase, de lo  que se aprendió. Para generar una conclusión grupal relativa a la Primera Ley de la Termodinámica. Revisa el trabajo a cada alumno y lo registra en la lista de MOODLE. Actividad Extra clase: Los alumnos: Ø  Elaboraran su informe,  para registrar sus resultados en su Blog. Ø  Indagaran los temas siguientes de acuerdo al cronograma, y los depositaran en su Blog personal en la cual contendrá su información, Ø  Los integrantes de cada equipo, se comunicaran la información indagada y la procesaran en Googledocs,   Analizaran y sintetizaran los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente sesión.
evaluación	El profesor revisara el Informe de la actividad depositado en el Blog personal.     Contenido: -           Resumen de la indagación bibliográfica. -          Informe de las actividades en el Aula-laboratorio.

Y la recapitulación de éstos mismos…

Semana13 viernes SESIÓN 39	Recapitulación 13
contenido temático	Sistema físico térmico, 1a. ley de la termodinámica.

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales ·         Sistema físico térmico, 1a. ley de la termodinámica. Procedimentales Relacionara los cambios de energía. ·         Describirá la conformación de la 1ª. Ley de la Termodinámica. ·         Elaboración de acetatos y manejo del proyector. ·         Discusión en equipo ·         Presentación en equipo Actitudinales -           Confianza, cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia.
Materiales generales	De proyección: -          Pizarrón, gis, borrador -          Proyector de acetatos y proyector tipo cañón De computo: -          PC, conexión a Internet. -          Programas: Hoja de cálculo, procesador de palabras, presentador. Didáctico: -          Resumen escrito, en documento electrónico.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor de acuerdo a su Planeación de clase. - Cada equipo realizara una autoevaluación de los temas aprendidos en las dos sesiones anteriores. ¿Qué temas se abordaron? ¿Que aprendí? ¿Qué dudas tengo? - Solicita a los alumnos elaboren un resumen escrito en su cuaderno de lo visto en las dos sesiones anteriores, Equipo 1 2 3 4 5 6 Resumen  1.Cambios de energía interna por calor y trabajo y primera ley de la termodinámica 2. que en termodinámica calor y trabajo se definen como energía en transito y que la ley de termodinámica también conocida como principio de conservación, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiara. 3. Ninguna 1. Los temas vistos fueron los cambios de energía interna por calor y trabajo y la primera ley de la termodinámica. 2. Sobre los cambios de energía interna por calor y trabajo aprendimos que cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo y viceversa y sobre la primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que se conserva. 3. No nos quedaron muy claros los temas.  1.- vimos que la energía interna de un cuerpo cambia gacias a la energía que le es aplicada, también como ocure la transferencia de calor atravez del vapor a un recipiente con agua 2.- veremos como la energía cinetica puede aplicarse a u cuerpo apara cambiar su temperatura como el vapor tratara de calentar el agua de un recipiente 3.- ¿Qué ocurrirá cuando se pase el taladro en la placa de metal? ¿Podrá el vapor hervir el agua?  1. Cambios de energía interna por calor y trabajo 2. Aprendimos que en termodinámica calor y trabajo se definen como energías en tránsito y por ello una energía en tránsito, un sistema nunca contendrá trabajo sino que será capaz de realizarlo o de recibirlo, en un intercambio de energía con los alrededores, que podrán ser otro sistema o su medio ambiente y que en la primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor . Si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. 3.ninguna duda  1 Lo temas vistos fueron cambios de energía interna por calor y trabajo y la primera ley de la termodinámica 2 aprendimos que cambiós ocurren en la energia interna por el calor y el trabajo y a la vez en que consiste la ley de la termodinámica como es que las energía no se crea ni se destruye sólo se transforma 3 el equipo 5 no tiene dudas -cambios de energía interna por calor y trabajo la primera ley de la termodinámica - Que la primera ley del de la termodinámica dice que el principio de la conservación de energía, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. -NINGUNA FASE DE DESARROLLO - Les solicita que un alumno de cada equipo lea el resumen elaborado. - El Profesor pregunta acerca de las dudas que tengan acerca de los temas vistos en las dos sesiones anteriores. FASE DE CIERRE El Profesor concluye con un repaso de la importancia de la 1ª. Ley de la Termodinámica y su relación con la vida cotidiana. -          Revisa el trabajo a cada alumno y lo registra en la lista de la plataforma MOODLE. Actividad Extra clase: Los alumnos: Ø  Elaboraran su informe,  para registrar sus resultados en su Blog. Ø  Indagaran los temas siguientes de acuerdo al cronograma, y los depositaran en su Blog personal en la cual contendrá su información, Ø  Los integrantes de cada equipo, se comunicaran la información indagada y la procesaran en Googledocs,   Analizaran y sintetizaran los resultados, para presentarla al Profesor en la siguiente sesión.
evaluación	El profesor revisara el Informe de la actividad depositado en el Blog personal.     Contenido: -           Resumen de la indagación bibliográfica. -          Informe de las actividades en el Aula-laboratorio.

SEMANA 13

4, 6 y 7-11-2014

http://www.cch-sur.unam.mx/guias.php

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/calor.html

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/trabajo.html