Física Clásica

Física Clásica - Fundamentos Físicos para la Ingeniería Chaxiraxi María Calcines Padilla

1. Leyes de Newton 3
a. Ley de Inercia. (1ª Ley de Newton) 3
b. Fuerza, masa. (2ª Ley de Newton) 4
c. Tipos de fuerzas 5
d. Principio de acción y reacción. (3ª Ley de Newton) 6
2. Trabajo y Energía 7
a. Trabajo. Energía cinética 8
b. Potencia 8
c. Energía potencial 9
3. Principios de Conservación de la Energía 10
a. Conservación de la Energía mecánica 11
b. Trabajo-Energía 12
4. Principios de la Termodinámica 12
a. Equilibrio térmico y Temperatura 12
b. Ley de los gases ideales 13
c. Teoría cinética de los gases 15
d. Calor y Primer principio de la Termodinámica 16
e. Segundo Principio de la Termodinámica 16

o http://www.fisicanet.com.ar/fisica/dinamica/ap01_leyes_de_newton.php
o http://www.jfinternational.com/mf/leyes-newton.html
o http://www.darwin-milenium.com/estudiante/Fisica/Temario/Tema5.htm
o http://www2.udec.cl/~jinzunza/infancia/tema4.pdf
o http://www.fisicapractica.com/energia-potencial.php
o http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nica
o http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/trabajo/energia/energia.htm
o http://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1mica
o http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/teoria/A_Franco/estadisti
ca/termo/Termo.html
o Tipler. Física. Editorial Reverté (1994). Capítulo 15, 16, 17.

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1. Leyes de Newton

Durante muchos siglos se intentó encontrar leyes fundamentales que se apliquen a todas o
por lo menos a muchas experiencias cotidianas relativas al movimiento. Fue un tema central
de la filosofía natural. No fue sino hasta la época de Galileo y Newton cuando se efectuaron
dramáticos progresos en la resolución de esta búsqueda.

Isaac Newton (1642 - 1727), nacido el año que murió Galileo, es el principal arquitecto de
la mecánica clásica, la cual se resume en sus tres leyes del movimiento.

Antes de la época de Galileo, la mayoría de los pensadores o filósofos sostenía que se
necesitaba alguna influencia externa o "fuerza" para mantener a un cuerpo en movimiento. Se
creía que para que un cuerpo se moviera con velocidad constante en línea recta
necesariamente tenía que impulsarlo algún agente externo; de otra manera, "naturalmente"
se detendría. Fue el genio de Galileo el que imaginó el caso límite de ausencia de fricción e
interpretó a la fricción como una fuerza, llegando a la conclusión de que un objeto continuará
moviéndose con velocidad constante, si no actúa alguna fuerza para cambiar ese
movimiento.

Las tres leyes de Newton del movimiento son las llamadas leyes clásicas del movimiento.
Ellas iluminaron por 200 años el conocimiento científico y no fueron objetadas hasta
que Albert Einstein desarrolló la teoría de la relatividad en 1905.

1.a. Ley de Inercia. (1ª Ley de Newton)

Un cuerpo permanece en reposo o en movimiento
rectilíneo uniforme (M.R.U. = velocidad constante) si
la fuerza resultante es nula.

El que la fuerza ejercida sobre un objeto sea cero no
significa necesariamente que su velocidad sea cero. Si
no está sometido a ninguna fuerza (incluido el
rozamiento), un objeto en movimiento seguirá
desplazándose a velocidad constante.

Para que haya equilibrio, las componentes horizontales de las fuerzas que actúan sobre un
objeto deben cancelarse mutuamente, y lo mismo debe ocurrir con las componentes
verticales. Esta condición es necesaria para el equilibrio, pero no es suficiente. Por ejemplo, si
una persona coloca un libro de pie sobre una mesa y lo empuja igual de fuerte con una mano
en un sentido y con la otra en el sentido opuesto, el libro permanecerá en reposo si las manos
están una frente a otra. (El resultado total es que el libro se comprime). Pero si una mano está
cerca de la parte superior del libro y la otra mano cerca de la parte inferior, el libro caerá sobre
la mesa.

Para que haya equilibrio también es necesario que la suma de los momentos en torno a
cualquier eje sea cero. Los momentos dextrógiros (a derechas) en torno a todo eje deben
cancelarse con los momentos levógiros (a izquierdas) en torno a ese eje. Puede demostrarse
que si los momentos se cancelan para un eje determinado, se cancelan para todos los ejes.
Para calcular la fuerza total, hay que sumar las fuerzas como vectores.

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a) Condición de equilibrio en el plano: la sumatoria de todas las fuerzas aplicadas y no
aplicadas debe ser nula y, la sumatoria de los momentos de todas las fuerzas con respecto
a cualquier punto debe ser nula.

o Σ Fx = 0
o Σ Fy = 0
o Σ MF = 0

b) Condición de equilibrio en el espacio: la sumatoria de todas las fuerzas aplicadas y no
aplicadas debe ser nula y, la sumatoria de los momentos de todas las fuerzas con respecto
a los tres ejes de referencia debe ser nula.

o Σ Fx = 0
o Σ Fy = 0
Equilibrio de fuerzas o Σ Fz = 0

Equilibrio de momentos o Σ My = 0
o Σ Mx = 0
o Σ Mz = 0

1.b. Fuerza, masa. (2ª Ley de Newton)

Para entender cómo y por qué se aceleran los objetos,
hay que definir la fuerza y la masa. Una fuerza neta
ejercida sobre un objeto lo acelerará, es decir,
cambiará su velocidad. La aceleración será
proporcional a la magnitud de la fuerza total y tendrá
la misma dirección y sentido que ésta. La constante
de proporcionalidad es la masa m del objeto. La masa
es la medida de la cantidad de sustancia de un cuerpo
y es universal.

Cuando a un cuerpo de masa m se le aplica una
fuerza F se produce una aceleración a.

F = m.a

Unidades: En el Sistema Internacional de unidades (SI), la aceleración a se mide en metros
por segundo cuadrado, la masa m se mide en kilogramos, y la fuerza F en newtons.

Se define por el efecto que produce
la aceleración en la fuerza a la cual
se aplica. Un newton se define
como la fuerza necesaria para
suministrar a una masa de 1 kg
una aceleración de 1 metro por
segundo cada segundo.

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Un objeto con más masa requerirá una fuerza mayor para una aceleración dada que uno con
menos masa. Lo asombroso es que la masa, que mide la inercia de un objeto (su resistencia a
cambiar la velocidad), también mide la atracción gravitacional que ejerce sobre otros objetos.
Resulta sorprendente, y tiene consecuencias profundas, que la propiedad inercial y la
propiedad gravitacional estén determinadas por una misma cosa. Este fenómeno supone que
es imposible distinguir si un punto determinado está en un campo gravitatorio o en un sistema
de referencia acelerado. Albert Einstein hizo de esto una de las piedras angulares de su teoría
general de la relatividad, que es la teoría de la gravitación actualmente aceptada.

Se deduce que:

1 kgf = 9,81 N

En particular para la fuerza peso:

P = m.g

1.c. Tipos de fuerzas

Fg = G.m1.m2/r ²

La fuerza entre dos partículas de
masas m1 y m2 y, que están separadas por una
distancia r, es una atracción que actúa a lo largo
de la línea que une las partículas, en donde G es la
constante universal que tiene el mismo valor para
todos los pares de partículas.

En 1798 Sir Henry Cavendish realizó la primera medición experimental de la constante G
utilizando para ello una balanza de torsión. El valor aceptado actualmente es:

G = 6,67.10-11 N.m²/kg²

Fuerza elástica:

Una fuerza puede deformar un resorte, como alargarlo o acortarlo. Cuanto mayor sea la
fuerza, mayor será la deformación del resorte (Δx), en muchos resortes, y dentro de un rango
de fuerzas limitado, es proporcional a la fuerza:

Fe = -k.Δx
• k: Constante que depende del material y dimensiones del resorte.
• Δx: Variación del resorte con respecto a su longitud normal.

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Fuerza Normal:

Fuerza normal al plano e igual pero de sentido contrario
a la componente normal al plano, de la fuerza peso.

N = cos α.m.g
Tensión:

Es la fuerza que realiza una cuerda (o cable, etc.) sobre otro cuerpo. La tensión siempre “tira”
del cuerpo y su valor también depende del problema. En la cuerda aparecerá dos tensiones,
una en cada extremo y tendrán el mismo valor.

Fuerza de rozamiento:

Fuerza aplicada y contraria al movimiento y que depende de la calidad de la superficie del
cuerpo y de la superficie sobre la cual se desliza.

Fr = μ.N

• μ :Coeficiente de rozamiento y su valor dependerá del tipo de superficie.

Existen dos tipos de fuerzas de rozamiento:

1. Estático: Se presenta cuando las fuerzas que se aplican al cuerpo no son capaces
de moverlo. Su valor será igual a la fuerza que se esté aplicando, mientras el
objeto no se esté moviendo, y tendrá un valor máximo que coincidirá con la
mínima fuerza necesaria para poner en movimiento un cuerpo que está en reposo.
El valor de la fuerza de rozamiento estático máximo viene determinado por µe.
2. Cinético o dinámico: Aparece cuando el objeto está en movimiento. Para
velocidades pequeñas podemos suponer que su valor es constante. Este valor es
igual a la fuerza necesaria para mantener el cuerpo en movimiento rectilíneo
uniforme. Viene determinado por el coeficiente cinético o dinámico, µc.

En el caso de deslizamiento en seco, cuando no existe lubricación, la fuerza de rozamiento es
casi independiente de la velocidad. La fuerza de rozamiento tampoco depende del área
aparente de contacto entre un objeto y la superficie sobre la cual se desliza. El área real de
contacto (la superficie en la que las rugosidades microscópicas del objeto y de la superficie de
deslizamiento se tocan realmente) es relativamente pequeña. Cuando un objeto se mueve por
encima de la superficie de deslizamiento, las minúsculas rugosidades del objeto y la superficie
chocan entre sí, y se necesita fuerza para hacer que se sigan moviendo. El área real de
contacto depende de la fuerza perpendicular entre el objeto y la superficie de deslizamiento.
Frecuentemente, esta fuerza no es sino el peso del objeto que se desliza. Si se empuja el
objeto formando un ángulo con la horizontal, la componente vertical de la fuerza dirigida
hacia abajo se sumará al peso del objeto. La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza
perpendicular total.

Centro de gravedad

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En cuanto al tamaño o peso del objeto en movimiento, no se presentan problemas
matemáticos si el objeto es muy pequeño en relación con las distancias consideradas. Si el
objeto es grande, se emplea un punto llamado centro de masas, cuyo movimiento puede
considerarse característico de todo el objeto. Si el objeto gira, muchas veces conviene
describir su rotación en torno a un eje que pasa por el centro de masas.

El centro de gravedad o baricentro o centro de masas, es un punto donde puede
suponerse encontrada todo el área, peso o masa de un cuerpo y tener ante un sistema
externo de fuerzas un comportamiento equivalente al cuerpo real.

1.d. Principio de acción y reacción. (3ª Ley de Newton)

Cuando a un cuerpo se le
aplica una fuerza (acción o
reacción), este devuelve una
fuerza de igual magnitud,
igual dirección y de sentido
contrario (reacción o
acción).

Por ejemplo, en una pista de patinaje sobre hielo, si un adulto empuja suavemente a un niño,
no sólo existe la fuerza que el adulto ejerce sobre el niño, sino que el niño ejerce una fuerza
igual pero de sentido opuesto sobre el adulto. Sin embargo, como la masa del adulto es
mayor, su aceleración será menor.

La tercera ley de Newton también implica la conservación del momento lineal, el producto
de la masa por la velocidad. En un sistema aislado, sobre el que no actúan fuerzas externas, el
momento debe ser constante. En el ejemplo del adulto y el niño en la pista de patinaje, sus
velocidades iniciales son cero, por lo que el momento inicial del sistema es cero. Durante la
interacción operan fuerzas internas entre el adulto y el niño, pero la suma de las fuerzas
externas es cero. Por tanto, el momento del sistema tiene que seguir siendo nulo. Después de
que el adulto empuje al niño, el producto de la masa grande y la velocidad pequeña del adulto
debe ser igual al de la masa pequeña y la velocidad grande del niño. Los momentos
respectivos son iguales en magnitud pero de sentido opuesto, por lo que su suma es cero.

Otra magnitud que se conserva es el momento angular o cinético. El momento angular de un
objeto en rotación depende de su velocidad angular, su masa y su distancia al eje. Cuando un
patinador da vueltas cada vez más rápido sobre el hielo, prácticamente sin rozamiento, el
momento angular se conserva a pesar de que la velocidad aumenta. Al principio del giro, el
patinador tiene los brazos extendidos. Parte de la masa del patinador tiene por tanto un radio
de giro grande. Cuando el patinador baja los brazos, reduciendo su distancia del eje de
rotación, la velocidad angular debe aumentar para mantener constante el momento angular.

Un libro colocado sobre una mesa es atraído hacia abajo por la atracción gravitacional de la
Tierra y es empujado hacia arriba por la repulsión molecular de la mesa. Como se ve se
cumplen todas las leyes de Newton.

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2. Trabajo y Energía

El problema fundamental de la Mecánica es describir como se moverán los cuerpos si se
conocen las fuerzas aplicadas sobre él. La forma de hacerlo es aplicando la segunda Ley de
Newton, pero si la fuerza no es constante, es decir la aceleración no es constante, no es fácil
determinar la velocidad del cuerpo ni tampoco su posición, por lo que no se estaría
resolviendo el problema.

Los conceptos de trabajo y energía se fundamentan en las Leyes de Newton, por lo que no se
requiere ningún principio físico nuevo. Con el uso de estas dos magnitudes físicas, se tiene un
método alternativo para describir el movimiento, espacialmente útil cuando la fuerza no es
constante, ya que en este caso la aceleración no es constante y no se pueden usar las
ecuaciones de la dinámica anteriormente estudiadas. En este caso se debe usar el proceso
matemático de integración para resolver la segunda Ley de Newton. Ejemplos de fuerzas
variables son aquellas que varían con la posición, comunes en la naturaleza, como la fuerza
gravitacional o las fuerzas elásticas.

Concepto de trabajo: El Trabajo es una de las
formas de transferencia de energía entre los
cuerpos. Para realizar un trabajo es preciso
ejercer una fuerza sobre un cuerpo y que éste
se desplace.

El trabajo, W, depende del valor de la fuerza, F,
aplicada sobre el cuerpo del
desplazamiento, Δx y del coseno del
ángulo α que forman la fuerza y el
desplazamiento:

W =F·x= F · cos α · Δx

El trabajo, se mide en julios (J) en el SI, la fuerza en newtons (N) y el desplazamiento en
metros (m).

Concepto de energía: En la naturaleza se
observan continuos cambios y cualquiera de
ellos necesita la presencia de la energía: para
cambiar un objeto de posición, para mover un
vehículo, para que un ser vivo realice sus
actividades vitales, para aumentar la
temperatura de un cuerpo, para encender un
reproductor de MP3, para enviar un mensaje por móvil, etc.

La energía es la capacidad que tienen los cuerpos para producir cambios en ellos mismos o en
otros cuerpos. La energía no es la causa de los cambios. Las causas de los cambios son las
interacciones y, su consecuencia, las transferencias de energía.

El Trabajo y la Energía son magnitudes escalares, es decir, no tienen dirección ni sentido.

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2. a. Trabajo. Energía cinética
Cuando se hace trabajo contra el roce, se
observa que en la superficie de los cuerpos en
contacto se produce un aumento de
temperatura. Es porque se ha producido una
transformación desde movimiento a calor, es
decir que se ha producido una transferencia
de energía de movimiento a energía calórica.
En otras transformaciones se produce
energía en forma de luz, sonido, eléctrica,
nuclear, etc. En las transformaciones se
miden cambios de energía cuando se realiza
trabajo, aparecen las fuerzas que realizan
trabajo, por lo tanto el trabajo es una medida
de las transferencias de energía. El concepto
de energía se puede generalizar para incluir
distintas formas de energía conocidas como
cinética, potencial, calórica,
electromagnética, etc. De esta forma, la
mecánica de los cuerpos en movimiento se
relaciona con otros fenómenos naturales que no son mecánicos por intermedio del concepto
de energía. El concepto de energía invade toda la ciencia y es una de las ideas unificadoras de
la Física.

La cantidad: ½mv2, se llama energía cinética, , es energía que se obtiene por el
movimiento, es siempre positiva porque la rapidez está al cuadrado.

=

El trabajo realizado por la fuerza resultante sobre una partícula es igual al cambio de energía
cinética, enunciado que se conoce como el Teorema del Trabajo y la Energía. Cuando la
rapidez es constante, no hay variación de energía cinética y el trabajo de la fuerza neta es
cero. La unidad de medida de la energía cinética es el Joule, J.

2. b. Potencia
Si subimos lentamente unas escaleras y después lo hacemos rápidamente, el trabajo realizado
es el mismo en ambos casos, pero nuestra potencia es mayor en el segundo caso, porque
realizamos el trabajo más rápidamente.

Para expresar la rapidez con que hacemos un trabajo, se utiliza el concepto de potencia.

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Una máquina es más potente que otra, si es capaz de realizar el mismo trabajo en menos
tiempo. La relación entre potencia, trabajo y tiempo invertido se puede expresar de la manera
siguiente:

La unidad de la potencia en el Sistema Internacional (SI) es el Vatio (W), que se define como la
potencia necesaria para hacer un trabajo de un julio en un segundo:

2. c. Energía potencial
La energía potencial es aquella que
tiene un cuerpo debido a su posición
en un determinado momento. Por
ejemplo un cuerpo que se encuentra a
una cierta altura puede caer y provocar
un trabajo o un resorte comprimido o
estirado puede mover un cuerpo
también produciendo trabajo. A las
fuerzas con estas características se les
denomina fuerzas conservativas, que
como vemos realizan un trabajo nulo si
la partícula se desplaza a través de una línea cerrada.

La energía potencial la consideramos como la suma de las energías potencial gravitatoria y
potencial elástica, por lo tanto:

Ep = Epg + Epe

Energía potencial gravitatoria (Epg): Es la que tienen los cuerpos debido a la gravedad de la
tierra. Se calcula multiplicando el peso por la altura.

Ejemplo: El agua embalsada, que se manifiesta al caer y mover la hélice de una turbina.

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Se suele considerar que a una altura cero la Epg es cero, por lo tanto se calcula como:

Epg = P· h P = Peso
h = Altura
Epg = m· g·h m = Masa
g = Aceleración de la gravedad

La energía potencial, Ep, se mide en julios (J), la masa, m se mide en kilogramos (kg),
la aceleración de la gravedad, g, en metros/segundocuadrado (m/s²) y la altura, h, en metros (
m).

Energía potencial elástica (Epe): Es la energía asociada con las materiales elásticos. Se
demostrará a continuación que el trabajo para comprimir o estirar un resorte una distancia x
es ½kx2, donde k es la constante del resorte. Se calcula como:

K = Constante del resorte
Δx = Desplazamiento desde la posición
normal

5. Principios de Conservación de la Energía

¿Se conserva la energía?
Una situación especialmente interesante sucede cuando no se realiza trabajo exterior sobre el
sistema, es decir, o no se ejercen fuerzas exteriores o, si se ejercen sobre alguna parte del
sistema, su punto de aplicación no se desplaza o lo hace perpendicularmente a la fuerza, de
manera que su trabajo es nulo. En este caso, el sistema podrá cambiar de estado, pero de
manera que no cambie su energía mecánica:

Si Wext = ΔE y Wext= 0 → ΔE = 0

La energía del sistema no cambiará, se «conservará».

En general, podemos decir que el trabajo realizado es igual al incremento (positivo o negativo)
que han sufrido las energías:

Wext = ΔEP + ΔEC = (EP final - EP inicial) + (EC final - EC inicial)

Cuando el trabajo tiene valor negativo, debemos conservar su signo a la hora de sustituirlo en
la ecuación.

Se dice entonces que la energía no se crea ni se destruye, solo se transfiere a otros cuerpos o
se transforma en otras formas de energía.

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La ley de conservación de la energía afirma que:

1. No existe ni puede existir nada capaz de generar
energía .
2. No existe ni puede existir nada capaz de hacer
desaparecer la energía.
3. Si se observa que la cantidad de energía varía siempre
será posible atribuir dicha variación a un intercambio
de energía con algún otro cuerpo o con el medio
circundante. Sistema mecánico en el cual
se conserva la energía,
Este principio, uno de los más importantes de física, es para choque perfectamente
conocido como principio de conservación de la energía. elástico y ausencia
de rozamiento.
Si, por ejemplo, una niña desciende por un tobogán, la
energía potencial que tenía cuando estaba arriba se convertirá en energía cinética al
descender.

5.a. Conservación de la Energía mecánica
La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por
lo tanto, es la suma de las energías potencial, cinética y la elástica de un cuerpo en
movimiento. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.
En la energía potencial puede considerarse también la energía potencial elástica, aunque esto
suele aplicarse en el estudio de problemas de ingeniería y no de física.
La energía se conserva, es decir, ni se crea ni se destruye. Para sistemas abiertos formados por
partículas que interactúan mediante fuerzas puramente mecánicas o campos conservativos la
energía se mantiene constante con el tiempo:

Donde:

o , es la energía cinética del sistema.

o , es la energía potencial del sistema.
o , es la energía potencial elástica del sistema.
Es importante notar que la energía mecánica así definida permanece constante si únicamente
actúan fuerzas conservativas sobre las partículas. Sin embargo existen ejemplos de sistemas
de partículas donde la energía mecánica no se conserva:

o Sistemas de partículas cargadas en movimiento. En ese caso los campos
magnéticos no derivan de un potencial y la energía mecánica no se conserva, ya que
parte de la energía mecánica "se convierte" en energía del campo electromagnético y
viceversa.

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o Sistemas termodinámicos que experimentan cambios de estado. En estos sistemas
la energía mecánica puede transformarse en energía térmica o energía interna.
Cuando hay producción de energía térmica, en general, existirá disipación y el sistema
habrá experimentado un cambio reversible (aunque no en todos los casos). Por lo que
en general estos sistemas aún pudiendo experimentar cambios reversibles sin
disipación tampoco conservarán la energía mecánica debido a que la única variable
conservada es la energía interna.

5.b. Trabajo-Energía

Teorema trabajo energía: una forma común de transferir energía(absorbida o cedida) de un
sistema es intercambiando trabajo con el exterior. Si esta es la única fuente de energía
transferida, la ley de la conservación de la energía se expresa así:

Eext= ∆E(sist)= ∆E(mec)+ ∆E(term)+ ∆E(quim)+ ∆E(otras)

en donde W(ext) es el trabajo realizado sobre el sistema por fuerzas externas y ∆E(sist) es la
variación de la energía total experimentada por el sistema. Este teorema trabajo-energía es
un instrumento poderoso para estudiar una amplia variedad de sistemas. Obsérvese que si el
sistema está formado por una sola partícula, su energía solo puede ser cinética de modo que
la ecuación es equivalente al teorema trabajo-energía cinética.

6. Principios de la Termodinámica
La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de
los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo
entre un sistema y otro. A las magnitudes macroscópicas que se relacionan con el
estado interno de un sistema se les llama coordenadas termodinámicas; éstas nos van a
ayudar a determinar la energía interna del sistema. En resumen, el fin último de la
termodinámica es encontrar entre las coordenadas termodinámicas relaciones generales
coherentes con los principios básicos de la física.
La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La Ley "cero", referente
al concepto de temperatura, la Primera Ley de la termodinámica, que nos habla de el principio
de conservación de la energía, la Segunda Ley de la termodinámica, que nos define a
la entropía.

6.a. Equilibrio térmico y Temperatura

Toda sustancia por encima de los 0 kelvin (-273,15 °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.
Nota: estrictamente sería la misma cantidad de calor por gramo, ya que una mayor cantidad
de sustancia emite más calor a la misma temperatura.

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Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables
termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el
estudio de la termodinámica son:

o la masa
o el volumen
o la densidad
o la presión
o la temperatura
En termodinámica es muy importante estudiar sus propiedades, las cuáles podemos dividirlas
en dos:

o Propiedades intensivas: son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del
tamaño de un sistema, por lo que cuyo valor permanece inalterable al subdividir el
sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas. las
más utilizadas en termodinámica son la temperatura, densidad..
o Propiedades extensivas: Son las que dependen de la cantidad de sustancias del sistema,
y son recíprocamente equivalentes a las intensivas. Una propiedad extensiva depende por
tanto del "tamaño" del sistema. Una propiedad extensiva tiene la propiedad de ser aditiva
en el sentido de que si se divide el sistema en dos o más partes, el valor de la magnitud
extensiva para el sistema completo es la suma de los valores de dicha magnitud para cada
una de las partes.
Algunos ejemplos de propiedades extensivas son la masa, el volumen, el peso, cantidad de
sustancia, energía, entropía, entalpía, etc. En general el cociente entre dos magnitudes
extensivas nos da una magnitud intensiva, por ejemplo la división entre masa y volumen nos
da la densidad.

6.b. Ley de los gases ideales

La teoría atómica de la materia define los estados, o fases, de acuerdo al orden que implican.
Las moléculas tienen una cierta libertad de movimientos en el espacio. Estos grados de
libertad microscópicos están asociados con el concepto de orden macroscópico. Las
moléculas de un sólido están colocadas en una red, y su libertad está restringida a pequeñas
vibraciones en torno a los puntos de esa red. En cambio, un gas no tiene un orden espacial
macroscópico. Sus moléculas se mueven aleatoriamente, y sólo están limitadas por las
paredes del recipiente que lo contiene.
Se han desarrollado leyes empíricas que relacionan las variables macroscópicas.
Toda las masas gaseosas experimentan variaciones de presión, volumen y temperatura que
se rigen por las siguientes leyes:

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Primera ley (Boyle-Mariotte)
Los volúmenes ocupados por una misma masa gaseosa conservándose su temperatura
constante, son inversamente proporcionales a la presión que soporta.
Formula interpretación

V.P = V´.P´ V = volumen inicial
VN = volumen final
P = presión inicial
P´ = Presión final

Segunda ley (Gay Lussac).
Cuando se calienta un gas, el volumen aumenta 1/273 parte de su valor primitivo, siempre que
la presión no varíe. Temperatura y volumen son directamente proporcionales.

V.T´ = V´.T V = volumen inicial
V´ = volumen final
T = temperatura inicial
T´ = temperatura final

Tercera ley (Charles)
La presión ejercida por una masa gaseosa es directamente proporcional a su temperatura
absoluta, siempre que el volumen sea constante.

P.T´ = P´.T P = presión inicial
P´ = presión final
T = temperatura inicial

Ecuación general del estado gaseoso.
En una masa gaseosa los volúmenes y las presiones son directamente proporcionales a sus
temperaturas absolutas e inversamente proporcionales entre sí.
Formula Interpretación

Despejando presión P.V.T´ = P´.V´.T (a) P = presión inicial
P.V/T = P´.V´/T´ (b) P´ = presión final
P = P´.V´.T / V.T´ (c) V = volumen final
P´ = P.V.T´/ V´.T (d) V´ = volumen final
T = temperatura final

Resumiendo:
p1.V1/T1 = p2.V2/T2 = constante

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Definiendo las condiciones normales de presión y temperatura (CNPT) como, 1 atmósfera y
273 °K, para el volumen que ocupa un mol de cualquier gas (22,4 dm ³), esta constante se
transforma en:
constante = 1 atmósfera.22,4 dm ³/273 °K.mol = 0,08205 atmósferas.dm ³/°K.mol
Y se define R como la constante de los gases ideales:
R = 0,08205 atmósfera.dm ³/°K.mol
La combinación de estas leyes proporciona la ley de los gases ideales, también llamada
ecuación de estado del gas ideal:
p.V = n.R.T

donde n es el número de moles.

6.c. Teoría cinética de los gases
La teoría cinética de los gases explica las características y propiedades de la materia en
general, y establece que el calor y el movimiento están relacionados, que las partículas de
toda materia están en movimiento hasta cierto punto y que el calor es una señal de este
movimiento.

La teoría cinética de los gases considera que los gases están compuestos por las moléculas,
partículas discretas, individuales y separadas. La distancia que existe entre estas partículas es
muy grande comparada con su propio tamaño, y el volumen total ocupado por tales
corpúsculos es sólo una fracción pequeña del volumen ocupado por todo el gas. por tanto, al
considerar el volumen de un gas debe tenerse en cuenta en primer lugar un espacio vacío en
ese volumen.

El gas deja muchos espacios vacíos y esto explica la alta
comprensibilidad, la baja densidad y la gran miscibilidad de
unos con otros.

Hay que tener en cuenta que:

1. No existen fuerzas de atracción entre la moléculas de un
gas.
2. Las moléculas de los gases se mueven constantemente
en línea recta por lo que poseen energía cinética.
3. En el movimiento, las moléculas de los gases chocan
elásticamente unas con otras y con las paredes del
recipiente que las contiene en una forma perfectamente
aleatoria.
4. La frecuencia de las colisiones con las paredes del recipiente explica la presión que ejercen
los gases.
5. La energía de tales partículas puede ser convertida en calor o en otra forma de energía. pero
la energía cinética total de las moléculas permanecerá constante si el volumen y la
temperatura del gas no varían; por ello, la presión de un gas es constante si la temperatura y el
volumen no cambian.

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6.d. Calor y Primer principio de la Termodinámica

Un sistema termodinámico puede
intercambiar energía con su entorno en
forma de trabajo y de calor, y acumula
energía en forma de energía interna. La
relación entre estas tres magnitudes viene
dada por el principio de conservación de la
energía.

Para establecer el principio de conservación de la energía retomamos la ecuación estudiada
en la página dedicada al estudio de sistemas de partículas que relaciona el trabajo de las
fuerzas externas (Wext) y la variación de energía propia (ΔU) :

Nombramos igual a la energía propia que a la energía interna porque coinciden, ya que no
estamos considerando la traslación del centro de masas del sistema (energía cinética orbital).

Por otra parte, el trabajo de las fuerzas externas es el mismo que el realizado por el gas pero
cambiado de signo: si el gas se expande realiza un trabajo (W) positivo, en contra de las
fuerzas externas, que realizan un trabajo negativo; y a la inversa en el caso de una
compresión. Además, ahora tenemos otra forma de suministrar energía a un sistema que es
en forma de calor (Q).

Luego la expresión final queda:

Este enunciado del principio de conservación de la energía aplicado a sistemas
termodinámicos se conoce como Primer Principio de la Termodinámica.

6.e. Segundo Principio de la Termodinámica

Esta ley arrebata la dirección en la que deben llevarse a cabo los
procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que
ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de
tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un
pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la
imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un
tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone
restricciones
para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran ilustración de la segunda
llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley ley mediante una máquina
térmica
apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud

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física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia
materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que
cero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional,
desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un
equilibrio térmico.
La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico
mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la
fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el
trabajo mecánico obtenido.
Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de
Clausius y el de Kelvin.
o Enunciado de Clausius:
En palabras de Sears es: "No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción
de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de
calor por un recipiente a temperatura más elevada".
o Enunciado de Kelvin
No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente
(E.absorbida), y lo convierta íntegramente en trabajo (E.útil).
o Enunciado de Kelvin—Planck
Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro
efecto que la absorción de energía desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de
trabajo.
o Otra interpretación
Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin
aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el
rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo,
siempre será menor a la unidad, y ésta estará más próxima a la unidad, cuanto mayor sea el
rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de
una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

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