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resumenes de la ciencia para todos 22-04-2018

1 Propuesta del uso de los libros “De la ciencia para todos” para la enseñanza de la física a nivel superior PhD Patricia Abdel Rahim ISBN: 978-958-48-3785-1…
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1 Propuesta del uso de los libros “De la ciencia para todos” para la enseñanza de la física a nivel superior PhD Patricia Abdel Rahim ISBN: 978-958-48-3785-1 10/04/2018 2 Exposiciones y resúmenes como herramienta pedagógica en la enseñanza y el aprendizaje de la termodinámica y la física moderna. El presente texto muestra el proceso de un mes y tres semanas de clase que se tuvo con los estudiantes del Proyecto Curricular Ingeniería Eléctrica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en el presente semestre académico 1-2018, en las áreas en mención. La finalidad de la propuesta de trabajo era profundizar los contenidos de termodinámica y física moderna apoyado por los textos: “De la máquina de vapor al cero absoluto” del autor Leopoldo García-Colín Scherer y de “Física cuántica par filo-sofos” del autor Clemente de la Torre, respectivamente; de la colección La Ciencias para Todos del Fondo de Cultura Económica. La metodología de trabajo que se realizó fue de la siguiente manera: Al inicio de semestre la docente PhD Patricia Abdel Rahim expone en forma general el texto y lo divide en tres partes iguales. Posteriormente los estudiantes escogen la parte que les gustaría exponer, se dio un tiempo de un mes para preparar la exposición y luego que todos los estudiantes del curso expusieron se solicitó un resumen de la parte que les toco exponer. Cabe notar que los estudiantes se valieron de muchas ayudas didácticas para hacerse entender como son: imagines, diapositivas, presentaciones en PowerPoint, videos en YouTube o clases magistral. A continuación presentamos los resúmenes de los grupos que realizaron su exposición 3 Resúmenes del Texto “De la máquina de vapor al cero absoluto” Leopoldo García-Colín Scherer De la colección de la ciencia para todos Por los estudiantes del curso de termodinámica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas 4 Índice 1. PRIMERAS MÁQUINAS DE VAPOR y DEFINICIÓN DE CALOR Alejandra Patarroyo Sánchez, apatarroyos@correo.udistrital.edu.co 2. DE LA MÁQUINA DE VAPOR AL CERO ABSOLUTO. Yecid Ramiro Rinthá, yecidr10@hotmail.com Jorge Enrique Castellanos, jjcastellanos99@gmail.com 3. ENSAYO BASADO EN EL LIBRO: DE LA MÁQUINA DE VAPOR AL CERO ABSOLUTO, UN BREVE RECUENTO DE LA HISTORIA TERMODINÁMICA Jefferson Jara Estupiñan, Marcela Rodríguez Figueroa 4. ENTROPÍA COMO CONCEPTO FUNDAMENTAL Cristian Camilo Suarez, ccamilos@correo.udistrital.edu.co Harold Peña Medina, hpenam@correo.udistrital.edu.co Jorge Alexis Rodriguez Garcia, jalexisrg@correo.udistrital.edu.co 5. ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO DE LA MAQUINA DE VAPOR Sandra Milena García, sanmileg@gmail.com Carlos Fernando acosta Guzmán, carlitosverdolaga2014@hotmail.com 6. DE LA MÁQUINA DE VAPOR AL CERO ABSOLUTO (CALOR Y ENTROPÍA) Montenegro Edison, efmontenegroa@correo.udistrital.edu.co 7. APLICACIONES SELECTAS HASTA CERO ABSOLUTO Daniela Rojas Johana Santamaría Angie Tovar Edwin Barrera 8. DE LA MÁQUINA DE VAPOR AL CERO ABSOLUTO Brian Alexander Veloza Beltrán, briam.alexander@gmail.com 9. EL CONCEPTO DE ENTROPÍA Juan Manuel Sánchez, jmsan88@gmail.com 10. DELA MÁQUINA DEVAPOR ALCERO ABSOLUTO Andrés Felipe Varela Méndez-afvarelam@correo.udistrital.edu.co, Wilmark Alexander Soto Pardo-wasotop@correo.udistrital.edu.co Gilberto Velazco Cabanzo-gvelazcoc@correo.udistrital.edu.co, 5 PRIMERAS MÁQUINAS DE VAPOR y DEFINICIÓN DE CALOR Alejandra Patarroyo Sánchez, apatarroyos@correo.udistrital.edu.co En un principio la aplicación y el desarrollo de las máquinas de vapor se encuentran en un mayor desenvolvimiento, que en determinar los conceptos de entendimiento básico de las leyes de la termodinámica. La primera máquina de la que se tiene conocimiento es de la Aeolipila cuya construcción se remonta al 130 a. c. Consiste en un globo hueco, soportado por dos brazos que permiten que gire en ella misma. Este movimiento es logrado a través de dos tubos doblados y orientados en direcciones opuestas por donde escapa el calor que es inyectado por uno de los brazos que soporta el globo y que se alimenta de una caldera que está en el fuego. En 1698 Thomas Savery desarrollo una máquina de cuyo funcionamiento es como sigue: El vapor es suministrado por un horno que calienta agua fría por el encendido de una hoguera. Los niveles de agua son controlados por válvulas. Este vapor se suministra a un tubo lleno de agua que después de vaciarse cesa el suministro de vapor y el vapor contenido por medio de chorros de agua. Esto produce un vacío y permite que por medio de una válvula se aspire agua de un pozo hasta la fuente que se necesite. Su uso se centró en la extracción de agua en las minas de carbón y la distribución de agua para pequeñas comunidades. En 1690 Denis Papin usa la condensación del vapor para producir un vacío bajo un pistón, que se había levantado por la acción del vapor. En 1705 Thomas Newcomen uso la presión atmosférica para forzar la caída del pistón, de esta forma producía un trabajo mecánico. James Watt en 1781 ideo la forma de usar esta máquina para hacerla girar sobre su eje. En 1829 George Stephenson fue el primero en adaptarla en una locomotora y en 1807 Robert Fulton hizo navegar un barco con máquinas de vapor. Todos estos desarrollos dan cuenta de que había un gran aprovechamiento de las maquinas a vapor, pero necesariamente estas aplicaciones no iban ligadas con buscar explicar los principios térmicos. Desde 1717 por el uso de las aplicaciones de máquinas térmicas, el calor era medido de manera precisa. Y se conocía de hecho que: “Al contacto con un tercer cuerpo, usualmente el aire, dos o más cuerpos en contacto con él se mezclaba de una manera apropiada hasta alcanzar una misma condición” (García, 2003, p.17). Por ello la temperatura viene del latín que significa mezclar apropiadamente. En 1620 sir Francis Bacon a través de su método para estudiar e interpretar la naturaleza define el calor como sigue:”El calor es un movimiento, expansivo, restringido y actuando en su contienda sobre las partículas más pequeñas de los cuerpos” (García, 2003, p.17). Joseph Black médico, también desarrollo nociones sobre el calor como: “la tendencia del calor a difundirse de cualquier cuerpo caliente hacia otros más fríos en sus alrededores” (García, 2003, p.18). Consiguiendo un estado de equilibrio. Y define calor específico, donde experimentalmente encontró que cada material necesita de diferente energía para llegar al a misma temperatura y definió el calor latente como la resilencia al cambio de estado, por ejemplo cuando congelamos un líquido se emite una gran cantidad de calor. Pero también existe controversia acerca de la definición de calor. Robert Boyle sugiere que el calor es “Una substancia material que se comportaba como un fluido elástico, sutil que llenaba todos los cuerpos y cuya densidad aumentaba con la temperatura” (García, 2014, p.17). Según esta teoría si la temperatura aumenta y se agrega fluido a la sustancia, el punto de equilibrio se desplaza hacia el 6 exterior aumentando la distancia promedio entre partículas y produciendo así una expansión del cuerpo. H Davy Después de una serie de experimento desecho la idea del calórico, concluyendo que el peso de este fluido nunca podría determinarse. Otra de las discusiones que se dieron se relación con el calor producido en las operaciones mecánicas. Rumford llevo un experimento donde un cilindro y un taladro se ponían dentro de una caja hermética, la maquina se ponía en movimiento y al cabo de dos horas el agua había pasado de 9°C a 94°C. Ruford concluyo que la fuente de calor generada por la fricción es inagotable y que cualquier cosa que un cuerpo pueda generar sin límite no puede substancia material. Por lo que el calor generado es causado por el movimiento. En 1824 Sadi Carnot se dedicó a razonar como producir trabajo mecánico a partir de fuentes que producen calor. Carnot, nombra el re- establecimiento del equilibrio en el calórico como un flujo desde un cuerpo de temperatura elevada a otro de menor temperatura. Y también dijo que cuando una maquina opera entre dos cuerpos y extrae calor del más caliente al más frio restaura el equilibrio térmico, y que esta restauración de equilibrio ocurre sin producir trabajo. De esta manera inicio el proceso que hoy nos dio a conocer las leyes de la termodinámica y la forma de usar estos principios para dictaminar otros comportamientos naturales, también nos abre paso hacia otras aplicaciones que nos facilitan la obtención de servicios y el mejoramiento en nuestra cotidianidad. Bibliografía García Colín, Leopoldo: De la máquina de vapor al cero absoluto. La Ciencia para todos,2003. 7 DE LA MÁQUINA DE VAPOR AL CERO ABSOLUTO. Yecid Ramiro Rinthá, yecidr10@hotmail.com Jorge Enrique Castellanos, jjcastellanos99@gmail.com A principio del siglo XVII se comienza a crear máquinas de vapor para utilizarlas en toda la industria, sin saber a ciencia cierta cómo funcionaban físicamente y sin poder explicar los cambios de temperatura que hacían que las maquinas funcionara de una forma adecuada. Las maquinas más representativas y con mayor aporte tecnológico fueron las siguientes:  La Aeolipila de Herón de Alejandría (130 a.C.). que era una turbina de vapor primitiva que cosiste de un globo hueco soportado por el pivote de manera que pueda girar alrededor de un par de muñones, por donde se puede inyectar vapor de agua. El vapor se escapa por dos tubos doblados a los extremos y hace girar el globo. [1] Leopoldo García - Colín. (2003).  Máquina para Extracción de agua en las minas, realizada por Thomas Savery en 1698 y mejorada Thomas Newcomen en 1705. [2] Leopoldo García - Colín. (2003).  James Watt en 1770 Mejora la máquina de vapor de Newcomen, dejando a todo momento el cilindro caliente en donde se iba a evaporar el agua. En 1981 con el desarrollo de esta máquina se logra usarla para hacer girar un eje 360°.  George Stephenson en 1829, Adapto por primera vez una locomotora a vapor.  W. Symigton en 1802 utilizo la máquina de vapor para poder navegar el remolque Charlotte Dundas (El primer barco a de vapor).  En 1884 Parson crea la turbina de vapor y Laval la perfecciona en 1889. [3] Leopoldo García - Colín. (2003). Con el desarrollo tecnológico de todas estas máquinas, se comenzó a ver la necesidad de saber con exactitud cómo funcionaban físicamente y dar una explicación científica que fuera confirmada de una forma correcta y al final aceptada por toda la comunidad científica y académica. Lo cual cómo se puede observar éstos descubrimientos no fueron logrados por una sola persona, en cambio, fueron muchos aportes los que lograron demostrar con exactitud que sucedía con este tipo de máquinas. A mediados del siglo XVIII, Joseph Black médico y químico escocés aclaro la distinción entre calor y temperatura, e introduce los conceptos de calor especifico (calor de un material) y calor latente (la capacidad de un material para emitir calor) [4] Leopoldo García – Colín. (2003). “Aun sin la ayuda del termómetro podemos percibir la tendencia del calor a difundirse de cualquier cuerpo caliente hacia otros más fríos en sus alrededores. Así pues, el calor alcanza un estado de equilibrio” [4] Leopoldo García – Colín. (2003). 8 En 1783 el químico Henry Cavendish hace referencia que el calor se genera como lo dice Isaac Newton de que el calor consiste en el movimiento interno de las partículas que forman los cuerpos. [5] Leopoldo García – Colín. (2003). Robert Boyle sugería que el calor era una sustancia material que se comportaba como un fluido elástico (Calórico), sutil, que llena a todos los cuerpos y cuya densidad aumentaba con la temperatura. [6] Leopoldo García – Colín. (2003) Sin embargo, Benjamin Thomson, el conde Rumford en 1789 y el químico H. Davy concluyeron que el peso del calórico nunca podía determinare. Por lo tanto, la versión de Robert Boyle comenzaba a perder veracidad. [7] Leopoldo García – Colín. (2003) Además, el conde Rumford percibió que se generaba una cantidad de calor muy grande en el proceso de fabricación de un cañón (los cuales se utilizaban como armas de gran poder en el ejercito de esa época) por medio de la fricción. Con sus experimentos concluyo que la fuente de calor generada por la fricción es inagotable y señaló que cualquier cosa que uno o varios cuerpos puedan generar sin límite alguno no puede ser substancia material. [8] Leopoldo García – Colín. (2003) Fue hasta que el ingeniero francés N. Sadi Carnot en 1824, tomara como punto clave el hecho de reconocer que una maquina térmica (o de vapor) requiere de una diferencia de temperaturas para funcionar. Además, demuestra que no puede concebirse una maquina térmica más eficiente operando entre dos temperaturas prescritas que la suya. Aunque, no pudo crear una máquina para demostrar la relación entre el calor y el trabajo. [9] Leopoldo García – Colín. (2003) En 1840 James Joule realizo estudios para establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor. Él decía: la cantidad de calor producida por la fricción entre cuerpos, sean líquidos o solidos siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado, de la siguiente manera: [10] Leopoldo García – Colín. (2003) ΔU = Wad [11] Donde ΔU = incremento en la energía interna del sistema. W = energía mecánica. ad = Indica que el sistema está aislado de sus alrededores. ΔU – W = Q [12] Donde Q = Calor Joule concluye que una caloría se define como la cantidad de calor requerido para elevar 1g de agua de 15.5°C a 16.5°C. Y ese calor es equivalente a un trabajo mecánico de 4.187 Julios. Después de todos estos hallazgos se puede concluir con mayor certeza que: El calor es una forma de energía que aparece en un proceso y cuyo origen no es mecánico. [12] Leopoldo García – Colín. (2003) BIBLIOGRAFÍA. 9 [1] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 12). Mexico: Fondo de Cultura Economica. [2] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 13). México: Fondo de Cultura Económica. [3] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 16-17). México: Fondo de Cultura Económica. [4] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 17-18). México: Fondo de Cultura Económica. [5] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 19). México: Fondo de Cultura Económica. [6] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 20). México: Fondo de Cultura Económica. [7] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 21). México: Fondo de Cultura económica. [8] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 22). México: Fondo de Cultura económica. [9] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 23-28). México: Fondo de Cultura económica. [10] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 31). México: Fondo de Cultura económica. [11] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 32-34). México: Fondo de Cultura económica. [12] Leopoldo García - Colín. (2003). De La Máquina De Vapor Al Cero Absoluto – Calor y Entropía. Bosquejo histórico (pp. 34-36). México: Fondo de Cultura económica. 10 ENSAYO BASADO EN EL LIBRO: DE LA MÁQUINA DE VAPOR AL CERO ABSOLUTO, UN BREVE RECUENTO DE LA HISTORIA TERMODINÁMICA Jefferson Jara Estupiñan, Marcela Rodríguez Figueroa Este libro nos cuenta de manera muy amena la historia de la termodinámica, partiendo del razonamiento de que normalmente en la historia la mayoría de los desarrollos tecnológicos que se han dando han nacido desde las investigaciones y teorías, previamente conocidas. Pero no en todos los casos ha sucedido de tal manera, un ejemplo claro de ello son las bases de la termodinámica más específicamente, la manera en que la energía térmica se logra convertir en trabajo mecánico. La primera máquina térmica de la cual se tiene evidencia fue descubierta por Hero de Alejandría ( ) la cual llevaba el nombre de aeolipia.[1] Fig.1 La Aeolipia de Herón de Alejandría.[1] La máquina anteriormente descrita dio el inicio a mejoras que terminaron en el diseño de la primera máquina a vapor la cual encontró un uso considerable en la extracción de agua en las minas de carbón y en la distribución de agua para pequeñas casas. Luego de una mejora en cuanto al pistón que era parte fundamental del funcionamiento de esta máquina, Thomas Newcomen y John Cawley en 1705, haciendo uso de la presión atmosférica mejoraron el funcionamiento de la misma, lo cual dio paso a la producción en gran tamaño de la maquina solo hasta 1770 cuando fueron superadas por las innovaciones de James Watt. Después de varias modificaciones y mejoras en el rendimiento de la maquina fue hasta 1829 cuando George Stephenson la adapto a una locomotora luego de esto se dio paso a su introducción a los barcos. A raíz de estos experimentos, casi carentes de una teoría que los describiera con total certeza y plenitud, nacen preguntas respecto a que era la temperatura, el calor o simplemente que sucedía física y matemáticamente en el accionar de estas máquinas. Dichas preguntas y los experimentos 11 que se realizaron para tratar de contestarlas fueron base para la teoría quemas tarde describiría dichos fenómenos: la termodinámica. La definición de calor en ese entonces es la siguiente: “calor es un movimiento, expansivo, restringido y actuando en su contienda sobre las partículas más pequeñas de los cuerpos.”[1] Pero pese a estas definiciones, fue hasta 1803 cuando Joseph Black un médico y químico escoces da a conocer una distinción entre calor y temperatura, donde además de ello introduce dos conceptos por primera vez a esta ciencia, los cuales fueron el calor especifico y el calor latente. Durante sus experimentos Black pone de manifiesto que calor y temperatura son conceptos diferentes, además de ellos luego de experimentar con agua y mercurio data que el calor específico de las sustancias es diferente, asumiendo éste como la capacidad que tiene cada cuerpo o sustancia para el calor. A raíz de esta definición de calor totalmente diferente a la de Newton y otros filósofos ingleses que compartían el concepto de este, pese a esto el con base en el concepto de los griegos del calor se genera una teoría respecto a este y fue en 1787 cuando el químico Lavoisier y otros científicos franceses llaman a este fluido como el “Calórico”. Al ser el calórico una sustancia nace la pregunta acerca de cómo era posible cuantificarlo o medir su peso , luego de varios experimentos realizados por el conde Rumford y el químico H. Davy en 1798 y 1799 concluyeron que el peso del calórico nunca podría determinarse, dando lugar así a desechar la existencia de esta sustancia, pero pese a estos experimentos y su postura de que el calórico no podía existir, no fueron objeciones serias a la teoría, debido a que no plantearon una teoría completa que describiera el fenómeno, ni tampoco lograron sustentan el hecho de que si el calor era el movimiento de las partículas, como se podía transferir de una sustancia a otra . En 1798 el conde Rumford al realizar ciertas observaciones en su trabajo como superintendente del arsenal de Múnich, decide realizar una serie de experimentos con el fin de aclarar sus ideas. Básicamente su experimento consistía en un taladro que hacia girar una serie de aspas dentro de un recipiente totalmente aislado y lleno con agua. Inicialmente el agua dentro del aparato se encontraba a 18°C cuando la maquin
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