04) CONTENIDO -Apuntes de Fisica General - José Pedro Agustin Valera Negrete

7/30/2019 04) CONTENIDO -Apuntes de Fisica General - Jos Pedro Agustin Valera Negrete

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CONTENIDO

PRLOGO 15

CAPTULO 1CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE FSICA 17

1.1 Introduccin y conceptos fundamentales. Masa y fuerza. Sistemas cerrados yabiertos 17

1.1.1 Introduccin 171.1.2 Patrones y unidades 181.1.3 Alfabeto griego 201.1.4 Prefijos utilizados en las mediciones 201.1.5 Mtodo cientfico 231.1.6 Principales equivalencias utilizadas en Ingeniera 251.1.7 Leyes de Newton o del movimiento (dinmica) 261.1.8 Conceptos fundamentales 271.1.8.1 Fsica 271.1.8.2 Materia 281.1.8.3 Masa 281.1.8.4 Fuerza 281.1.8.5 Propiedad 281.1.8.5.1 Propiedad extensiva 281.1.8.5.2 Propiedad intensiva 281.1.8.6 Estado 281.1.8.7 Trayectoria 291.1.8.8 Proceso 29

1.1.8.9 Ciclo 291.1.9 Sistema 291.1.9.1 Sistema cerrado 291.1.9.2 Sistema abierto 30

1.2 Ecuaciones dimensionales y sistemas de unidades 30

1.2.1 Ecuaciones dimensionales 301.2.2 Sistemas de unidades 311.2.2.1 Sistema absoluto 33


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1.2.2.2 Sistema gravitacional o tcnico 33

1.3 Aceleracin de la gravedad y peso de un cuerpo 34

1.3.1 Aceleracin de la gravedad terrestre (g ) 341.3.2 Peso de un cuerpo ( w ) 351.3.3 Constante de proporcionalidad (gc ) 361.3.4 Unidades de fuerza: Sistema absoluto 381.3.5 Unidades de masa: Sistema gravitacional o tcnico 39

1.4 Densidad, densidad relativa, peso especfico y volumen especfico 42

1.4.1 Densidad ( ) 421.4.2 Densidad relativa ( rel ) 441.4.3 Peso especfico ( ) 451.4.4 Volumen especfico ( v ) 46

1.5 Presin, presin atmosfrica, presin relativa, presin absoluta, principio deArqumedes, principio de Pascal, principio fundamental de la hidrosttica,manometra 48

1.5.1 Presin 481.5.2 Presin atmosfrica, presin relativa y presin absoluta 501.5.3 Principio de Arqumedes 511.5.4 Principio de Pascal 531.5.4.1 Prensa hidrulica 541.5.5 Principio fundamental de la hidrosttica 551.5.6 Manometra 571.5.6.1 Manmetro diferencial 58

1.6 Termometra, temperatura, escalas termomtricas, temperatura relativa ytemperatura absoluta, ecuaciones de equivalencia 63

1.6.1 Termometra 631.6.2 Temperatura 631.6.3 Escalas termomtricas 641.6.4 Temperatura relativa y temperatura absoluta, ecuaciones de equivalencia 65

1.7 Fsica Moderna, conceptos bsicos 68

1.7.1 Introduccin a la Fsica Moderna 681.7.2 Electricidad y magnetismo 691.7.3 La relatividad de Einstein 711.7.4 El tiempo y el espacio 731.7.5 Materia y energa 751.7.6 Relatividad y Mecnica Cuntica 751.7.7 La Ingeniera y la Fsica Moderna 76

CAPTULO 2ESTADO SLIDO DE LA MATERIA 77

2.1 Clasificacin de los slidos 77


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2.1.1 Metales 792.1.2 Cermicos 802.1.3 Polmeros 80

2.1.4 Materiales compuestos 802.2 Propiedades de los materiales: ductilidad, maleabilidad, rigidez, tenacidad,

fragilidad, dureza, conductividad y rigidez dielctrica 80

2.2.1 Propiedades de los materiales 802.2.1.1 Ductilidad 812.2.1.2 Maleabilidad 812.2.1.3 Rigidez 812.2.1.4 Tenacidad 822.2.1.5 Fragilidad 822.2.1.6 Dureza 822.2.1.7 Conductividad 842.2.1.8 Rigidez dielctrica 84

2.3 Elasticidad, lmite elstico, ley de Hooke, mdulo de elasticidad 85

2.3.1 Elasticidad 852.3.1.1 Esfuerzo 872.3.1.2 Deformacin 872.3.2 Lmite de elasticidad o lmite elstico 872.3.3 Ley de Hooke 882.3.4 Mdulo de elasticidad 892.3.4.1 Mdulos de elasticidad o de Young y lmites elsticos de algunos materiales 902.3.4.2 Mdulos de elasticidad y mdulos de Poisson 93

2.4 Esfuerzo normal y deformacin unitaria 942.4.1 Esfuerzo normal 942.4.2 Deformacin unitaria 96

2.5 Resistencia (tensin, compresin y torsin). Diagrama esfuerzo-defor-macin. Resistencia a la fatiga 98

2.5.1 Resistencia 982.5.2 Diagrama de esfuerzo-deformacin 992.5.3 Elasticidad lineal 1002.5.4 Acero estructural 1012.5.5 Resistencia a la fatiga 110

2.6 Relacin de Poisson ( ) 111

2.7 Deformacin volumtrica (cambio de volumen) 112

2.8 Mdulo de elasticidad al cortante (o mdulo de rigidez) y deformacinangular 117

2.9 Desarrollo de nuevos materiales y sus aplicaciones 122


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2.9.1 Metales 1222.9.1.1 Hierros fundidos 1222.9.1.2 Aceros de aleacin 123

2.9.1.3 Aceros inoxidables 1232.9.2 Cermicas y vidrios 1232.9.3 Polmeros 1232.9.4 Compuestos 1242.9.4.1 Concreto hidrulico y concreto asfltico 1242.9.5 Semiconductores 125

CAPTULO 3CONVERSIN DE ENERGA, TRABAJO Y CALOR 127

3.1 Fuerzas conservativas 128

3.2 Energa potencial gravitatoria, energa cintica y energa mecnica. Energapotencial elstica 130

3.2.1 Energa potencial gravitatoria o gravitacional (Ep ) 1303.2.2 Energa cintica (Ec ) 1323.2.2.1 Demostracin 1343.2.3 Energa mecnica (Em ) 1363.2.4 Energa potencial elstica (Epelstica ) 1363.2.4.1 Demostracin 137

3.3 Trabajo mecnico, potencia y eficiencia. Principio de la conservacin de laenerga 140

3.3.1 Trabajo mecnico (W) 1403.3.1.1 Unidades para el trabajo 1403.3.1.2 Trabajo efectuado en sistemas de movimiento rectilneo 1423.3.1.2.1 Sistema en movimiento rectilneo, con fuerza constante paralela a la direccin

del desplazamiento 1423.3.1.2.2 Sistema en movimiento rectilneo, con fuerza de magnitud y direccin

constante, formando un ngulo con la direccin del desplazamiento. 1433.3.1.2.3 Sistema en movimiento rectilneo, con fuerza de magnitud variable, formando

un ngulo variable con la direccin del desplazamiento 1433.3.1.2.4 Sistema en movimiento no rectilneo con fuerza variable en magnitud y

direccin 1443.3.1.2.5 Relacin entre el trabajo producido por el desplazamiento de un cuerpo y la

compresin o expansin de un fluido 146

3.3.2 Potencia

W 1503.3.3 Eficiencia o rendimiento ( ) 1533.3.4 Principio de la conservacin de la energa 155

3.4 Calor, calor especfico, calorimetra, ley cero de la termodinmica 155

3.4.1 Calor 1553.4.1.1 Transmisin del calor(conduccin, radiacin y conveccin) 1573.4.1.1.1 Conduccin 157


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3.4.1.1.2 Radiacin 1573.4.1.1.3 Conveccin 1583.4.1.2 Cambios de estado 158

3.4.1.3 Calor sensible 1593.4.1.4 Calor latente 1593.4.1.5 Calor de fusin y calor de vaporizacin 1603.4.1.6 Unidades de calor: calora y British thermal unit(Btu ) 1603.4.1.7 Capacidad calorfica 1613.4.2 Calor especfico 1633.4.3 Calorimetra 1643.4.3.1 Calor absorbido y calor cedido por un cuerpo 1663.4.3.2 Equivalente en agua de un cuerpo 1663.4.3.3 Calor contenido en un cuerpo 1673.4.3.4 Determinacin del calor especfico 1673.4.3.5 Calor especfico a volumen constante y calor especfico a presin constante 1743.4.4 Ley cero de la termodinmica 175

3.5 Energa interna. Ley de Joule 176

3.5.1 Energa interna ( U ) 1763.5.2 Ley de Joule 177

3.6 Equivalente mecnico del calor ( J ) 178

3.7 Definicin de gas ideal: ley de Boyle-Mariotte y Ley de Charles-Gay Lussac.Ley general de los gases 182

3.7.1 Definicin de gas ideal 1823.7.2 Ley de Boyle-Mariotte 1833.7.3 Ley de Charles-Gay Lussac 1833.7.4 Ley general de los gases 1843.7.4.1 Mol 186

3.8 Ley de Dalton. Principio de Avogadro 189

3.8.1 Ley de Dalton de las presiones parciales 1893.8.2 Principio de Avogadro 190

3.9 Primera ley de la termodinmica en sistemas cerrados 191

3.10 Procesos termodinmicos 193

3.10.1 Proceso isomtrico o isocrico 1943.10.2 Proceso isobrico 1983.10.3 Proceso isotrmico 2023.10.4 Proceso adiabtico 2053.10.5 Proceso politrpico 212


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APNDICESCAPTULO 3

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3.A Fuerzas conservativas 219

3.B Ecuacin general de los gases ideales 221

3.C Energa del sistema E 226

3.D Propiedades de los gases a baja presin 228

CAPTULO 4ESTADO LQUIDO DE LA MATERIA 231

4.1 Clasificacin de los fluidos 231

4.1.1 Generalidades2314.1.1.1 Flujo laminar o estacionario 232

4.1.1.2 Flujo turbulento 2334.1.1.3 Fluido ideal 2334.1.1.4 Flujo permanente y no permanente 2334.1.1.5 Flujo uniforme y no uniforme 233

4.2 Viscosidad absoluta o dinmicay viscosidad relativa o cinemtica 234

4.2.1 Viscosidad absoluta o dinmica ( ) 2354.2.2 Viscosidad relativa o cinemtica ( ) 238

4.3 Lquidos en reposo, tensin superficial y capilaridad 242

4.3.1 Lquidos en reposo 2424.3.2 Tensin superficial ( ) 2434.3.3 Capilaridad 2454.3.3.1 Ley de Jurn 248

4.4 Lquidos en movimiento. Ecuacin de continuidad, gasto hidrulico omedicin de flujo 248

4.4.1 Lquidos en movimiento 2484.4.2 Ecuacin de continuidad 2484.4.3 Gasto hidrulico, flujo a travs de tubos circulares 253

4.5 Trabajo de flujo, entalpa 257

4.5.1 Trabajo de flujo 2574.5.2 Entalpa 258

4.6 Primera ley de la termodinmica en sistemas abiertos (ecuacin de la energade flujo para sistemas abiertos) 260

4.6.1 Sistemas cerrados 2604.6.2 Sistemas abiertos 2614.6.3 Conservacin de la energa 2614.6.4 Ecuacin de la energa para sistemas cerrados 262


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4.6.5 Ecuacin de la energa de flujo para sistemas abiertos 2624.6.6 Formas alternativas de la ecuacin de flujo estacionario 2654.6.6.1 Por unidad de masa 265

4.6.6.2 Por unidad de tiempo (potencia ) 2664.7 Principio de Bernoulli para flujo laminar en rgimen permanente 267

4.8 Aplicacin de la ecuacin de Bernoulli 274

4.8.1 Aplicacin en la hidrosttica 2744.8.2 Aplicacin en la hidrodinmica 275

4.9 Aplicacin del teorema de Torricelli 284

4.9.1 Teorema de Evangelista Torricelli 2844.9.1.1 Verificacin de la expresin de Torricelli mediante ecuaciones de cada libre 2854.9.2 Venturmetro o tubo de vnturi 286

4.9.3 Piezmetro 2894.9.4 Aplicaciones en la Fsica e Ingeniera 293

CAPTULO 5APROVECHAMIENTO DE LA ENERGA 295

5.1 Fuentes de energa renovables y no renovables 295

5.1.1 Fuentes naturales 2955.1.2 Fuentes de energa renovables 2955.1.3 Fuentes de energa no renovables 2975.1.4 Formas de energa 2985.1.4.1 Energa trmica o calorfica 2985.1.4.2 Energa mecnica 2985.1.4.3 Energa elctrica 299

5.2 Procesos de transformacin de la energa 299

5.3 Segunda ley de la termodinmica, mquina trmica, ciclo de Carnot,enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius, teorema de Carnot 302

5.3.1 Segunda ley de la termodinmica 3025.3.1.1 Descripcin fsica de la segunda ley 3025.3.2 Mquina trmica 3025.3.3 Ciclo de Carnot 3045.3.3.1 Ciclo de Carnot invertido 3115.3.4 Enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius 3155.3.5 Teorema de Carnot 316

5.4 Entropa y su aplicacin en los procesos termodinmicos. Principio deincremento de entropa 318

5.4.1 Proceso isomtrico 3225.4.2 Proceso isobrico 3225.4.3 Proceso isotrmico 323


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5.4.4 Proceso adiabtico 3235.4.5 Proceso politrpico 323

5.5 Aire comprimido, tipos de compresores, aplicaciones en la ingeniera 325

5.5.1 Aire comprimido 3255.5.2 Tipos de compresores 3255.5.3 Ventiladores 3265.5.4 Compresores de aire 3275.5.5 Compresor centrfugo 3285.5.6 Compresor de flujo axial 3295.5.7 Aplicaciones en la Ingeniera 330

5.6 Motores de combustin interna, ciclos termodinmicos Otto y Diesel, turbinade gas, ciclo de Brayton, aplicaciones 347

5.6.1 Motores de combustin interna 3475.6.2 Motor reciprocante de encendido por chispa: Ciclo Otto 3505.6.3 Motor reciprocante de encendido por compresin: Ciclo Diesel 3585.6.4 Turbina de gas: Ciclo Brayton 3675.6.5 Aplicaciones 374

BIBLIOGRAFA 375

NDICE ANALTICO 377

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