TEMPERATURA

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que este se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

Las principales escalas termométricas son tres:

Escala Fahrenheit.

Escala CELCIUS.

Escala absoluta o KELVIN.

La escala Fahrenheit toma como cero una temperatura que está por debajo del punto de fusión del hielo, por lo tanto para el hielo indica una temperatura de 32º F.

Para el agua hirviendo o vapor indica 212º F.

Escala Celsius

La escala Celsius fue inventada en 1742 por el astrónomo sueco Andrés Celsius. Esta escala divide el rango entre las temperaturas de congelación y de ebullición del agua en 100 partes iguales. Usted encontrará a veces esta escala identificada como escala centígrada. Las temperaturas en la escala Celsius son conocidas como grados Celsius (ºC).

Escala Fahrenheit

La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en 1724. Aun cuando muchos países están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es ampliamente usada en los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF).

Escala de Kelvin

La escala de Kelvin lleva el nombre de William Thompson Kelvin, un físico británico que la diseñó en 1848. Prolonga la escala Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por una ausencia completa de energía calórica. Las temperaturas en esta escala son llamadas Kelvins (K).

Cómo Convertir Temperaturas

A veces hay que convertir la temperatura de una escala a otra. A continuación encontrará cómo hacer esto.

1. Para convertir de ºC a ºF use la fórmula:   ºF = ºC x 1.8 + 32.
2. Para convertir de ºF a ºC use la fórmula:   ºC = (ºF-32) ÷ 1.8.
3. Para convertir de K a ºC use la fórmula:   ºC = K – 273.15
4. Para convertir de ºC a K use la fórmula: K = ºC + 273.15.
5. Para convertir de ºF a K use la fórmula: K = 5/9 (ºF – 32) + 273.15.
6. Para convertir de K a ºF use la fórmula:   ºF = 1.8(K – 273.15) + 32.

DILATACIÓN 

La dilatación en Física es el aumento de un cuerpo en su volumen, éste se hace más grande (más largo o ancho, o ambas cosas).

La dilatación puede ocurrir por una variación de temperatura a presión constante. Esto se conoce como dilatación térmica. Cuando un cuerpo sólido (sobre todo plano) se calienta, se dilata en largo y ancho aumentando su superficie, pues el calor otorga a sus moléculas energía, lo que las hace vibrar intensamente, necesitando entre ellas un espacio mayor. El coeficiente medio de dilatación superficial es el aumento de su unidad de superficie, al aumentar su temperatura en un grado. La letra griega gamma es la que lo representa. La dilatación lineal (aumento de longitud) en un cuerpo alargado, es proporcional al aumento de temperatura en pequeños intervalos La dilatación de los gases es mucho mayor que la que sufren los líquidos o los sólidos.

La dilatación térmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen debido a su temperatura. Afecta a todos los estados de agregación de la materia.

TEOREMA DE BERNOULLI

En dinámica de fluidos, el principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un líquido moviéndose a lo largo de una corriente de agua. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.

Q= V x A

Q1=Q2

Aplicaciones del teorema

• Las chimeneas son altas para aprovechar que la velocidad del viento es más constante y elevada a mayores alturas. Cuanto más rápidamente sopla el viento sobre la boca de una chimenea, más baja es la presión y mayor es la diferencia de presión entre la base y la boca de la chimenea, en consecuencia, los gases de combustión se extraen mejor.
• La ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad también nos dicen que si reducimos el área transversal de una tubería para que aumente la velocidad del fluido que pasa por ella, se reducirá la presión.
• La aplicación dentro de este deporte se ve reflejado directamente cuando las manos del nadador cortan el agua generando una menor presión y mayor propulsión.
• En un carburador de automóvil la presión del aire que pasa a través del cuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento. Al disminuir la presión, la gasolina fluye, se vaporiza y se mezcla con la corriente de aire.
• La tasa de flujo de fluido desde un tanque está dada por la ecuación de Bernoulli.
• En oxigeno-terapia, la mayor parte de sistemas de suministro de débito alto utilizan dispositivos de tipo Venturi, el cual esta basado en el principio de Bernoulli.

Teorema de Torricelli

FORMULA DE TORRICELLI

Evangelista Torricelli, fue un físico y matemático italiano, que comprobó una aplicación del principio de Bernoulli, el cual establecía que un líquido en movimiento, a través de una tubería, contiene en todos los puntos una energía Total igual (suma de E. Presión + E. Cinética + E. Potencial). A esto, Torricelli se preguntaba, ¿qué pasa cuando un líquido esta en reposo, y al recipiente que lo contiene se le hace un pequeño orificio?

EL teorema de Torricelli es una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un orificio, bajo la acción de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida de un líquido por un orificio.

La velocidad de salida de un fluido por un orificio es la misma que adquiriría un cuerpo que cayese libremente, partiendo del reposo, desde una altura h.

La velocidad con que sale un líquido por un orificio es mayor conforme aumenta la profundidad.

COMPROBACIÓN DEL TEOREMA DE TORRICELLI

Principio de Arquímedes (Empuje)

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.
La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en la figuras:

1. El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.
2. La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.

Porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.
Consideremos, en primer lugar, las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto de fluido. La fuerza que ejerce la presión del fluido sobre la superficie de separación es igual a p·dS, donde p solamente depende de la profundidad y dS es un elemento de superficie.
Puesto que la porción de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión se debe anular con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la denominamos empuje y su punto de aplicación es el centro de masa de la porción de fluido, denominado centro de empuje.
De este modo, para una porción de fluido en equilibrio con el resto, se cumple
Empuje=peso=r_f·gV
El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido r_f  por la aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V.
Se sustituye la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.
Si sustituimos la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Las fuerzas debidas a la presión no cambian, por tanto, su resultante que hemos denominado empuje es la misma y actúa en el mismo punto, denominado centro de empuje.
Lo que cambia es el peso del cuerpo sólido y su punto de aplicación que es el centro de masa, que puede o no coincidir con el centro de empuje.

Por tanto, sobre el cuerpo actúan dos fuerzas: el empuje y el peso del cuerpo, que no tienen en principio el mismo valor ni están aplicadas en el mismo punto.En los casos más simples, supondremos que el sólido y el fluido son homogéneos y por tanto, coinciden el centro de masa del cuerpo con el centro de empuje.

Ejemplo:

Supongamos un cuerpo sumergido de densidad ρ rodeado por un fluido de densidad ρ_f. El área de la base del cuerpo es A y su altura h.

La presión debida al fluido sobre la base superior es p₁= ρ_fgx, y la presión debida al fluido en la base inferior es p₂= ρ_fg(x+h). La presión sobre la superficie lateral es variable y depende de la altura, está comprendida entre p₁ y p₂.

Las fuerzas debidas a la presión del fluido sobre la superficie lateral se anulan. Las otras fuerzas sobre el cuerpo son las siguientes:

• Peso del cuerpo, mg
• Fuerza debida a la presión sobre la base superior, p₁·A
• Fuerza debida a la presión sobre la base inferior, p₂·A

En el equilibrio tendremos que

mg+p₁·A= p₂·A
mg+ρ_fgx·A= ρ_fg(x+h)·A

o bien,

mg=ρ_fh·Ag

Como la presión en la cara inferior del cuerpo p₂ es mayor que la presión en la cara superior p₁, la diferencia es ρ_fgh. El resultado es una fuerza hacia arriba ρ_fgh·A sobre el cuerpo debida al fluido que le rodea.

Como vemos, la fuerza de empuje tiene su origen en la diferencia de presión entre la parte superior y la parte inferior del cuerpo sumergido en el fluido.

Con esta explicación surge un problema interesante y debatido. Supongamos que un cuerpo de base plana (cilíndrico o en forma de paralepípedo) cuya densidad es mayor que la del fluido, descansa en el fondo del recipiente.

Si no hay fluido entre el cuerpo y el fondo del recipiente ¿desaparece la fuerza de empuje?, tal como se muestra en la figura

Si se llena un recipiente con agua y se coloca un cuerpo en el fondo, el cuerpo quedaría en reposo sujeto por su propio peso mg y la fuerza p₁A que ejerce la columna de fluido situada por encima del cuerpo, incluso si la densidad del cuerpo fuese menor que la del fluido. La experiencia demuestra que el cuerpo flota y llega a la superficie.

El principio de Arquímedes sigue siendo aplicable en todos los casos y se enuncia en muchos textos de Física del siguiente modo:

Cuando un cuerpo está parcialmente o totalmente sumergido en el fluido que le rodea, una fuerza de empuje actúa sobre el cuerpo. Dicha fuerza tiene dirección hacia arriba y su magnitud es igual al peso del fluido que ha sido desalojado por el cuerpo.

DENSIDAD

La densidad, es una de las propiedades más características de cada sustancia.

Es a masa de la unidad de volumen.

Se obtiene dividiendo una masa conocida de la sustancia entre el volumen que ocupa.

Llamando m a la masa, y v al volumen, la densidad, d, vale:

d= m/v.

Unidades.

En el Sistema Internacional la unidad de densidad es el kg (Unidad de masa) entre el m3 (unidad de volumen). Es decir, el kg/cm3

Sin embargo es muy frecuente expresar la densidad en g/cm3 (Unidad cegesimal).

PESO ESPECÍFICO.

El peso específico de una sustancia es el peso de la unidad de volumen.

Se obtiene dividiendo un peso conocido de la sustancia entre el volumen que ocupa.

Llamando p al peso y v al volumen, el peso específico, Pc, vale:

Pc= p/v

Unidades.

Sistema Internacional.

La unidad de peso específico es el N/m3; es decir, el newton (Unidad de fuerza y, por tanto, de peso) entre el m3 (Unidad de volumen).

Sistema Técnico.

Se emplean el kp/m3 y el kp/dm3.

Sistema Cegesimal.

Se utilizaría la dina/cm3, que corresponde a la unidad del sistema internacional.

RELACIÓN ENTRE EL PESO ESPECÍFICO Y LA DENSIDAD.

El peso específico y la densidad son evidentemente magnitudes distintas como se ha podido comparar a través de las deficiniones que se dieron en la parte de arriba, pero entre ellas hay una íntima relación, que se va a describir a continuación.

Se recordará que el peso de un cuerpo es igual a su masa por la aceleración de la gravedad:

P= m . g

Pues bien, sustituyendo esta expresión en la definición del peso específico y recordando que la densidad es la razon m/V, queda:

Pe= p/v= m.g /V = m/V . g = d.g

El peso específico de una sustancia es igual a su densidad por la aceleración de la gravedad.

Como hemos mencionado las unidades, la unidad clásica de densidad (g/cm3) tiene la ventaja de ser un número pequeño y fácil de utilizar.

Lo mismo puede decirse del kp/cm3 como unidad de peso específico, con la ventaja de que numéricamente, coinciden la densidad expresada en g/cm3 con el peso específico expresado en kp/dm3.

VALORES DE DENSIDADES.

Aluminio:

Densidad (kg/m3): 2698,4; (20 ºC)

Plástico:

Densidad (0,910 g/cc) plástico.

Polietileno:

El polietileno, un plástico más común, se recalienta a .160°C de los mas livianos con una densidad de 0,905 gr.

Vidrio:

Densidad= 650 °C (1200 °F).

Presión Hidrostatica

Es la presión que ejerce un líquido en reposo, sobre un cuerpo sumergido dentro de él. Esta presión se origina debido al peso del líquido que actúa sobre el área o superficie del cuerpo. Para deducir una fórmula que permita evaluar la presión de un líquido (PL) sobre un cuerpo sumergido, a una distancia h del nivel superior (altura del fluido), analicemos la siguiente figura:

Como un artificio, hemos construido un pequeño cilindro de altura “h” y área “S”:

Con lo cual se obtiene:   PL = ϒL x h

La fórmula deducida nos indica que la presión de un líquido no depende de la forma del recipiente que lo contiene, sólo depende de la profundidad o altura del líquido y la naturaleza de éste.

Ejercicio Aplicativo:

Hallar la presión ejercida por una columna de agua en el fondo de un recipiente que, al estar inclinado un ángulo de 30° respecto a la horizontal, posee una longitud de 90cm.

Solución:

Para evaluar la presión hidrostática se considera la altura “h” que es igual a:

h = 90 cm x Sen 30°

h = 45 cm

Sabemos que el peso especifico del agua (ϒ) es: 1 g-f/cm3

Entonces la presión es:

P = ϒ(H2O) x h = 1 g-f/cm3 x 45 cm

P = 45 g-f/cm2

También se puede expresar el resultado en unidades del sistema internacional (S.I.) teniendo en cuenta la siguiente equivalencia.

1 g-f/cm2 = 98 Pa

Entonces la presión será:

P = (45 x 98) Pa

P = 4410 Pa = 4410 N/m2

Prensa hidráulica

La prensa hidráulica es un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferentes áreas que, mediante una pequeña fuerza sobre el pistón de menor área, permite obtener una fuerza mayor en el pistón de mayor área. Los pistones son llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Estos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores.

Antigua prensa hidráulica.

En el siglo XVII, en Francia, el matemático y filósofo Blaise Pascal comenzó una investigación referente al principio mediante el cual la presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente se transmite con la misma intensidad en todas direcciones.¹​ Gracias a este principio se pueden obtener fuerzas muy grandes utilizando otras relativamente pequeñas. Uno de los aparatos más comunes para alcanzar lo anteriormente mencionado es la prensa hidráulica, la cual está basada en el principio de Pascal.

Cálculo de la relación de fuerzas

Cuando se aplica una fuerza ${\displaystyle F_{1}\,}$ sobre el émbolo de menor área ${\displaystyle A_{1}\,}$ se genera una presión ${\displaystyle p_{1}\,}$:

Esquema de fuerzas y áreas de una prensa hidráulica.

${\displaystyle p_{1}={\frac {F_{1}}{A_{1}}}\,}$

Del mismo modo en el segundo émbolo:

${\displaystyle p_{2}={\frac {F_{2}}{A_{2}}}\,}$

Se observa que el líquido está comunicado, luego por el principio de Pascal, la presión en los dos pistones es la misma. Por tanto se cumple que:

${\displaystyle p_{1}=p_{2}\,}$

Esto es:

${\displaystyle {\frac {F_{1}}{A_{1}}}={\frac {F_{2}}{A_{2}}}\,}$ y la relación de fuerzas: ${\displaystyle {\frac {F_{1}}{F_{2}}}={\frac {A_{1}}{A_{2}}}\,}$

Luego, la fuerza resultante de la prensa hidráulica es:

${\displaystyle F_{2}=F_{1}{\frac {A_{2}}{A_{1}}}}$

Donde:

${\displaystyle F_{1}\,}$ = fuerza del émbolo menor en N.

${\displaystyle F_{2}\,}$ = fuerza del émbolo mayor en N.

${\displaystyle A_{1}\,}$ = área del émbolo menor en m².

${\displaystyle A_{2}\,}$ = área del émbolo mayor en m².

PRESIÓN

Se le llama Presión, a la reacción inmediata que ejerce un cuerpo sobre otro en relación de peso o fuerza. La presión técnicamente se refiere a dos tipos fundamentales, opresión y compresión, la opresión es comúnmente asociada a la falta de libertad de un sujeto para movilizarse con plena independencia, y la compresión se refiere al esfuerzo o impedimento que realiza un cuerpo sobre otro impidiendo su salida de algún sitio.

La presión es aplicada en términos científicos, por ejemplo en la química, la presión de cierto vapor o gas puede provocar la ruptura de algún reactor, así como también en algún instrumento de medición puede arrojar datos relevantes de cualquier estudio. La presión es básicamente usada para determinar procesos en los que la temperatura juega un papel fundamental en la realización de algún experimento con una reacción química.

 Ejemplos resueltos de Presión

1.- ¿Cuál es la presión ejercida por una fuerza de 120 N que actúa sobre una superficie de 0.040 metros cuadrados?

Solución: Para ello vamos a tomar nuestros datos que el problema nos provee, por ejemplo nos da una fuerza de 120 N, y a su vez un área de 0.040  , por lo que tenemos:

 ?

Reemplazando estos datos en nuestra fórmula tenemos:

Por lo que obtenemos un total de 3000 pascales de presión ejercidas sobre la superficie.

Ahora compliquemos un poco más el problema y resolvamos el siguiente ejercicio.

2.- Una persona de 84 kg se para sobre la losa de una casa que tiene por superficie 225 metros cuadrados. ¿Cuál será la presión que esta persona ejerce sobre la losa?

Solución: En este caso tenemos nos hace falta encontrar una fuerza, puesto que no nos la proporciona el problema, sin embargo podemos hallarla de una manera muy sencilla. 

Recordemos que la fuerza es igual al peso, entonces podemos calcular el peso de la persona mediante la siguiente fórmula:

Es decir que el peso es el producto de la masa multiplicada por la gravedad y con ello obtendremos la fuerza que necesitamos, por lo que:

Ahora si podemos calcular la presión ejercida sobre la losa

Podemos observar que no hay gran dificultad al resolver este tipo de ejercicios, veamos otro más.

3.- La presión atmosférica tiene un valor aproximado de 1 x10^5 Pa . ¿Qué fuerza ejerce el aire confinado en una habitación sobre una ventana de 50 cm x 75 cm?

Solución: En este caso nos pide hallar la fuerza que se ejerce sobre la ventana, para ello vamos a tomar nuestros datos:

 ?

Antes de poder reemplazar en la fórmula nuestros datos, debemos recordar que el área no lo podemos trabajar con centímetros cuadrados, para ello debemos convertir esa área en metros cuadrados, aplicando el siguiente factor de conversión

Ahora si podemos reemplazar en nuestra fórmula

Solo que el problema nos pide la fuerza, no la presión… Entonces vamos a despejar a “F”

Reemplazando datos

O lo que es igual a

 (Kilo Newtons)