Semana 15 Jueves

sábado, 16 de noviembre de 2013

Entropía e irreversibilidad energética

Física 1
Semana 15

Semana 15 SESIÓN 44	Entropía e irreversibilidad energética
contenido temático	Entropía e irreversibilidad energética

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales ·         Entropía e irreversibilidad energética Procedimentales ·        Relaciones de  la irreversibilidad de los procesos y su relación con la entropía. ·        Describirá diferentes sistemas y fenómenos térmicos, así como los elementos que lo conforman. Actitudinales ·        Confianza, cooperación, responsabilidad respeto y tolerancia.
Materiales generales	De laboratorio: Parrilla eléctrica, dos vasos de precipitados de 250 ml, termómetro, balanza. Sustancias: agua sólida y liquida. De proyección: -        Pizarrón, gis, borrador -        Proyector de acetatos De computo: -        PC, y proyector tipo cañón -        Programas:  procesador de palabras. Didáctico: -        Resumen escrito en documento electrónico.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor de acuerdo a su Planeación de clase  les plantea la siguiente pregunta: ¿Por qué no es posible aprovechar toda la energía en un sistema térmico? ¿Qué es la entropía? ¿Cuál es el modelo matemático de la entropía? ¿Cuáles son las unidades que intervienen el modelo matemático de la entropía? ¿Cuándo se tiene un proceso irreversible? ¿Cuáles son Ejemplos de procesos termodinámicos irreversibles? ¿Para qué sirve la entropía? Equipo 4                   2 6 5 1 3 Respuesta Es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. S= Kcal/K Q1-2= Cantidad de calor T= Temperatura absoluta (Kelvin)  El concepto de irreversibilidad se aplica a aquellos procesos que, como la entropía, no son reversibles en el tiempo Si un sistema termodinámico de moléculas interactivas es trasladado de un estado termodinámico a otro, ello dará como resultado que la configuración o distribución de átomos y moléculas en el seno de dicho sistema variará. Movimiento con fricción Expansión libre Transferencia de energía como calor debido la diferencia significativa de temperatura. Corriente eléctrica a través de una resistencia diferente a cero Reacción química espontánea Mezcla de materia de diversa composición o estado. Para saber que procesos tienden a ser favorables termodinamicamente ya que todo tiende al desorden según la Ley de la termodinámica El Profesor solicita a los alumnos que  presenten resultados, empleando la técnica seleccionada. http://www.taringa.net/posts/info/9140414/experimento-parece-violar-la-entropia.html http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=h1JkZR0Ibdc http://www.youtube.com/watch?v=rkSRsTilmdk&feature=related ejemplo FASE DE DESARROLLO Los alumnos desarrollan la lectura siguiente de acuerdo a las indicaciones del Profesor: Entropía Procedimiento: -           Pesar una muestra de agua sólida y medir su temperatura, -           Medir 100 ml de agua en el vaso de precipitados y medir su temperatura -           Colocar el agua solida centro del vaso de precipitados y medir el tiempo de equilibrio de temperaturas y la temperatura final. -           Tabular y graficar los datos. Masa de hielo-tiempo-temperatura. Equipo Masa de agua solida gramos Temperatura inicial agua solida o C o C Temperatura final Temperatura agua liquida o C Tiempo de equilibrio. minutos 1 11.9gr 6° 9° 18° 9.50 min 2 10.7 gr 7 ° 10° 18° 5 minutos 3 11gr 6° 9° 18° 9 min 4 27.65 gr 4° 4° 18° 16 min 5 16.2 g 8° 10° 18° 8.15 6 10.7 4° 11° 13° 8min 19seg     Pesar una muestra de agua sólida  Medir 100 ml de agua en el vaso de  precipitados y medir su temperatura Medir el tiempo de equilibrio entre el hielo y el agua sólida. Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres divisiones; dentro de la caja y en cada división se encuentran tres tiposdiferentes de canicas: azules, amarillas y rojas, respectivamente. Las divisiones son movibles así que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a las canicas azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del punto de vista de la entropía es quitar un grado o índice de restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las canicas se encontraban separadas y ordenadas en colores: en la primera división las azules, en la segunda las amarillas y en la tercera las rojas, estaban restringidas a un cierto orden. Al quitar la segunda división, estoy quitando también otro grado de restricción. Las canicas se han mezclados unas con otras de tal manera que ahora no las puedo tener ordenas pues las barreras que les restringían han sido quitadas. La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones pues inicialmente había un orden establecido y al final del proceso (el proceso  este caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden alguno dentro de la caja. La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de restricción; la manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover alguna restricción, y volverla a medir al final del proceso que sufrió el sistema.   El concepto de entropía fue introducido por primera vez por R. J. Clausius a mediados del siglo XIX. Clausius, ingeniero francés, también formuló un principio para la Segunda ley: "No es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más caliente”. En base a este principio, Clausius introdujo el concepto de entropía, la cual es una medición de la cantidad de restricciones que existen para que un proceso se lleve a cabo y nos determina también la dirección de dicho proceso. 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 entropía e irreversibilidad energética. 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.

Semana 15 Martes

2ª. Ley de la Termodinámica

Física 1
Semana 15

Termodinámica 

Semana 15 SESIÓN 43	2ª. Ley de la Termodinámica
contenido temático	Sistema físico térmico, donde intervienen los factores de la 2ª Ley de la termodinámica.

Aprendizajes esperados del grupo	Conceptuales ·        Sistema físico térmico, donde intervienen los factores de la 2ª Ley de la termodinámica. Procedimentales: ·        Conoce las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica. ·        Investigación y comparación de la eficiencia de algunas máquinas térmicas y discusión grupal delos enunciados de la segunda ley de la termodinámica. ·        Manejo de material  y equipo de laboratorio. ·        Presentación en equipo 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, Googledocs. Didáctico: Resumen escrito, en documento electrónico.
Desarrollo del proceso	FASE DE APERTURA El Profesor de acuerdo a su Planeación de clase presenta lo siguiente: ¿Qué es un proceso termodinámico reversible? ¿En qué consiste un proceso termodinámico irreversible? ¿Cómo enuncio Clausius la 2ª. Ley de la Termodinámica? ¿Cómo enuncio Clausius la 2ª. Ley de la Termodinámica? ¿Cuál es el funcionamiento de un refrigerador? ¿Cuál sería una conclusión general de la 2a. Ley de la termodinámica? Equipo 1 3 5 2 4 6 Respuesta Se denominan procesos reversibles a aquellos que hacen evolucionar a un sistema termodinámico desde un estado de equilibrio1inicial a otro nuevo estado de equilibrio final a través de infinitos estados de equilibrio. De una manera simplificada, se puede decir que un proceso reversible es aquel proceso que, después de ser llevado de un estado inicial a uno final, puede retomar sus propiedades originales. Estos procesos son procesos ideales,2 ya que el tiempo necesario para que se establezcan esos infinitos estados de equilibrio intermedio sería infinito.   Son aquellos procesos que como su nombre los indica, no son reversibles en tiempo, en perspectiva de los procesos naturales. Así que se puede definir que todos los procesos naturales son irreversibles “Es imposible construir una máquina cíclica, que no tenga otro efecto que transferir calor continuamente de un cuerpo hacia otro, que se encuentre a una temperatura más elevada”. En términos sencillos, el calor no puede fluir espontáneamente de un objeto frío a otro cálido. Este enunciado de la segunda ley establece la dirección del flujo de calor entre dos objetos a diferentes temperaturas. El calor sólo fluirá del cuerpo más frío al más cálido si se hace trabajo sobre el sistema. Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no tenga otro efecto que absorber la energía térmica de una fuente y realizar la misma cantidad de trabajo. Su funcionamiento se basa en tomar calor de la parte de baja temperatura y lo expulsa al exterior, obviamente empleando una fuente de energía, en este caso, la eléctrica. La mayoría de los refrigeradores poseen un proceso cíclico de compresión y descompresión de un gas para así extraer calor de la parte interior y sacarlo a través de la rejilla de la parte posterior que se denomina condensador.  Para controlar este sistema, los refrigeradores poseen un termostato El calor nunca influye espontáneamente de una sustancia fría a una sustancia caliente. La Segunda Ley Por último, vamos a ver el contenido de la segunda ley de la termodinámica. En términos más o menos sencillos diría lo siguiente: "No existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo”. Este principio (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se podría hacer funcionar una central térmica tomando el calor del medio ambiente; aparentemente no habría ninguna contradicción, pues el medio ambiente contiene una cierta cantidad de energía interna, pero debemos señalar dos cosas: primero, la segunda ley de la termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente; segundo, la segunda ley nos habla de las restricciones que existen al utilizar la energía en diferentes procesos, en nuestro caso, en una central térmica. No existe una máquina que utilice energía interna de una sola fuente de calor. FASE DE DESARROLLO   La entropía en los procesos reversibles (I) En el simulador temperatura-entropía, http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/segundo/segundo.htm  Cada equipo calculara la variación de la entropía en función de una temperatura, para seis pasos, graficar los datos temperatura entropía. Equipo 1 2 3 Paso 1 2 3 Imagen Equipo 4 5 6 Paso 4 5 6 Imagen Actividades Se introduce La temperatura final del cuerpo T1, actuando en la barra de desplazamiento titulada Temperatura La temperatura inicial se ha fijado en T0=0ºC=273 K La masa m del cuerpo y su calor específico c se han elegido de modo que el producto m·c=1 Se pulsa el botón titulado Inicio. El número de pasos es N=1. El proceso consta de una sucesión de dos estados de equilibrio. Se pulsa el botón titulado Empieza Se pone el cuerpo en contacto con un foco a la temperatura T1. Se observa que la temperatura del cuerpo aumenta hasta alcanzar la temperatura final del foco. Cuando el cuerpo ha alcanzado la temperatura final de equilibrio, se pulsa el botón titulado Siguiente>>, El número de pasos es N=2. El proceso consta de una sucesión de dos estados de equilibrio. Se pulsa el botón titulado Empieza y así, sucesivamente En la parte derecha del applet, se representa En el eje vertical la variación de entropía ΔS En el eje horizontal la inversa 1/N del número de pasos Cuando el número N de pasos es muy grande la suma de las variaciones de entropía del foco y del gas tiende a cero Siendo que la termodinámica es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo, te sugeriría lisa y llanamente que lleves una olla a presión, la llenas de agua y la pones a hervir. Al comenzar a salir el vapor concentrado en chorros potentes, le colocas una hélice hecha con madera o papel, que la haga girar, y explicas que a esa hélice o paleta puede ir conectada una rueda, o un generador de corriente, o cualquier otro elemento que aproveche ese movimiento. 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 2ª. Ley de la Termodinámica.                     Revisa el trabajo a cada alumno y lo registra en la lista de Blog.  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.