Programa elaborado por: PROGRAMA DE ESTUDIO CALOR, ONDAS Y FLUIDOS Programa Educativo: Ingeniería Geofísica Área de Formación : Sustantiva profesional Horas teóricas: 3 Horas prácticas: 2 Total de Horas: 5 Total de créditos: 8 Clave: F1201 Tipo : Asignatura Carácter de la Obligatoria asignatura Dr. José Guadalupe Segovia López Fecha de elaboración: Agosto de 2004 Fecha de última actualización: Enero de 2014 *Seriación explícita Asignatura antecedente: Mecánica Si Asignatura Subsecuente: Termodinámica *Seriación implícita: Conocimientos previos: Física general. Presentación Este curso forma parte del área sustantiva profesional de estudios de la Ingeniería en Geofísica, se presenta una visión F1201 Calor, Ondas y Fluidos 1/8
de la física macroscópica sobre la base de que diversos fenómenos como el flujo de materia, propagación de ondas y transferencia de calor pueden describirse mediante las herramientas básicas de la mecánica clásica empleando para tal fin modelos simples que incorporen las propiedades relevantes de los sistemas, como por ejemplo la elasticidad, la compresibilidad, el esfuerzo, velocidad del sonido, la conductividad térmica y la densidad, entre otras. Al inicio se presentan un análisis elemental de las propiedades elásticas de los materiales, también se analiza el fenómeno ondulatorio en diferentes medios, se identifican las ondas longitudinales y transversales. Se analiza el comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento, se presentan los elementos básicos para realizar su descripción en un nivel elemental. Finalmente se estudian los conceptos básicos de termodinámica, las leyes que rigen el comportamiento de los sistemas termodinámicos y se analizan los procesos más simples. Es fundamental que el alumno comprenda todo lo tratado en este curso, pues en otras asignaturas se aplican algunas leyes para entender algunos fenómenos. Objetivo General El alumno aplicará los conceptos básicos de la mecánica clásica en la descripción del comportamiento elástico de los materiales, para describir el fenómenos ondulatorio en medios con diferentes densidades y analizar las propiedades térmicas de diferentes sistemas. Competencias que se desarrollaran en esta asignatura Conocimientos: -Conocimientos básicos de elasticidad, propagación de ondas en diferentes medios, cálculo de las propiedades estáticas y dinámicas de un fluido, conceptos básicos de la teoría cinética y leyes de la termodinámica. - Intuición en el planteamiento de problemas. -Capacidad para proponer practicas de laboratorio para comprobar leyes de la física relacionadas con el tema. Habilidades: -Desarrollar trabajo en equipo. -Establecer semejanzas, analogías y relaciones entre variables. -Para formular preguntas y proponer hipótesis. -Para interpretar modelos sencillos. -Creatividad e inventiva para explicar y predecir los fenómenos. Actitudes: -Búsqueda de explicación racional de los fenómenos. F1201 Calor, Ondas y Fluidos 2/8
-Analítica, crítica en la interpretación de información. -Analizar y discutir resultados. - Disciplina y habito de estudio Valores: -Ética profesional. -Respeto. -Responsabilidad. -Honestidad. Competencias del perfil de egreso que apoya esta asignatura Diseñará experimentos, a partir del conocimiento de los fenómenos físicos para la solución de problemas Calibrar equipos para su uso correcto en diferentes aplicaciones. Impartir docencia en los niveles básico, medio superior para mejorar la calidad de la educación. Escenario de aprendizaje Salón de clases, laboratorios, biblioteca, congresos y seminarios. Perfil sugerido del docente Profesional del área de física, con amplio conocimiento de las propiedades térmicas y elásticas de los materiales. Preferentemente con posgrado en materia condensada. Con actitud positiva para transmitir conocimiento y promover el aprendizaje. Contenido Temático Unidad No. 1 INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE MEDIOS CONTINUOS F1201 Calor, Ondas y Fluidos 3/8
Objetivo particular El alumno analizará las propiedades elásticas de sistemas deformables. Hrs. estimadas Temas 1.1. Elasticidad 1.2. Deformación unitaria y esfuerzo 1.3. Esfuerzo inducido 1.4. Módulo de Young 1.5. Módulo de cizalladura y de Poisson. Resultados del aprendizaje El alumno: - Diferenciará entre cuerpos materiales y medios continuos. - Conocerá y calculará diferentes tipos de esfuerzos, deformaciones y módulos Sugerencias didácticas Se sugiere que el profesor: Analice los diferentes tipos de elasticidad que presentan los materiales. Analice curvas esfuerzo deformación para conocer el comportamiento de los materiales. Realice experimentos demostrativos relacionados con la temática, solicitando el apoyo del laboratorio de materiales de otras instituciones. Estrategias y criterios de evaluación El profesor podrá designar un porcentaje a cada una de estas actividades: Examen escrito, exposiciones orales,tareas, trabajo en equipo, participaciones en clase. Unidad No. Objetivo particular Hrs. estimadas 2 OSCILACIONES Y ONDAS El alumno comprenderá la naturaleza del movimiento ondulatorio y su importancia en la descripción de una gran variedad de fenómenos físicos. Temas Resultados del aprendizaje Sugerencias didácticas Estrategias y criterios de evaluación F1201 Calor, Ondas y Fluidos 4/8
2.1 Ley de Hooke 2.2 Oscilador armónico simple, oscilador armónico amortiguado, oscilador armónico forzado, resonancia. 2.3 El péndulo 2.4 La naturaleza de las ondas 2.5 Ondas armónicas 2.6 Superposición, paquetes de ondas y notación compleja 2.7 Velocidad de fase y velocidad de grupo. 2.8 Efecto Doppler 2.9 Interferencia. 2.10 Difracción. El alumno: - Conocerá las fuerzas restauradoras y analizará el movimiento subsecuente de un objeto sujeto a este tipo de acciones. - Comprenderá el movimiento ondulatorio, y distinguirá entre ondas longitudinales y transversales. - Comprenderá los fenómenos de superposición e interferencia Se sugiere que el profesor: Muestre que los sistemas oscilatorios independientemente de su naturaleza tienen una formulación matemática común y se pueden modelar muy fácilmente a partir de las funciones seno y coseno. Enfatizar que el movimiento ondulatorio aparece prácticamente en todas las ramas de la física y realizar clasificaciones de las ondas. Analice los casos específicos del movimiento ondulatorio transversal y longitudinal relacionándolos con tipos particulares de ondas como lo son las que se originan en una cuerda y las ondas sonoras. Analice la superposición y el resultado de la coincidencia de ondas en una misma región del espacio y en el tiempo. Muestre que cuando una onda encuentra una barrera con una pequeña abertura, la onda se dispersa de acuerdo al El profesor podrá designar un porcentaje a cada una de estas actividades: Examen escrito, exposiciones orales, tareas, desempeño en examen sorpresa, participaciones en clase. F1201 Calor, Ondas y Fluidos 5/8
principio de Huyggens. Realice experimentos demostrativos relacionados con la temática. Unidad No. Objetivo particular Hrs. estimadas 3 MECÁNICA DE FLUIDOS El alumno aplicará los principios de conservación de la masa, momento y energía en la descripción del movimiento de los fluidos Temas Resultados del aprendizaje Sugerencias didácticas Estrategias y criterios de evaluación 3.1 Densidad y presión 3.2 Principio de Arquímedes 3.3 Principio de Pascal 3.4 Ecuación de continuidad 3.5 Ecuación de Bernoulli. El alumno: - Conocerá las principales características de los fluidos. - Aplicará los principios básicos de la hidrostática. - Conocerá las consecuencias de la conservación de la masa, la energía y el momento para fluidos en movimiento. Muestre que algunos materiales no son capaces de soportar fuerzas tangenciales a su superficie. Analice los parámetros y principios básicos necesarios para describir los fluidos en reposo. Defina el modelo de fluido ideal y derivar sus principios de conservación. Aplique los principios de la hidrostática y la hidrodinámica a diversas problemáticas. Realice experimentos demostrativos El profesor podrá designar un porcentaje a cada una de estas actividades: Examen escrito, exposiciones orales, tareas, trabajo en equipo, desempeño en examen sorpresa, participaciones en clase. F1201 Calor, Ondas y Fluidos 6/8
relacionados son la temática analizada, con el apoyo del laboratorio de hidráulica de otras instituciones. Unidad No. Objetivo particular Hrs. estimadas 4 INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA El alumno conocerá las leyes básicas de la termodinámica Temas 4.1 Definiciones fundamentales 4.2 Ley Cero de la Termodinámica. 4.3 Temperatura. 4.4 Ecuaciones de estado. 4.5 Trabajo. 4.6 Energía interna. 4.7 Calor. 4.8 Primera Ley de la Termodinámica. 4.9 Ciclo de Carnot. 4.10 Segunda Ley de la Termodinámica 4.11 Entropía. 4.12 Tercera Ley de la Resultados del aprendizaje El alumno: Distinguirá las diversas variables de estado. Conocerá e interpretará el concepto de temperatura a partir de la Ley Cero de la Termodinámica. Utilizará el concepto de gas ideal y sabrá diferenciar entre gases reales e ideales. Relacionará el teorema del trabajo y energía para un sistema de partículas con la Primera Ley de la Termodinámica. Utilizará el concepto de máquinas térmicas y lo relacionará con Sugerencias didácticas Analice que cuando un cuerpo se calienta o se enfría, cambian algunas de sus propiedades físicas. Defina los conceptos de sistema, frontera, alrededores, estado de un sistema, variables termodinámicas y mecanismos mediante los cuales un sistema cambia de estado. Muestre que la idea central de temperatura es el concepto de equilibrio térmico. Analice la naturaleza de la energía en un sistema termodinámico, Estrategias y criterios de evaluación El profesor podrá designar un porcentaje a cada una de estas actividades: Examen escrito, exposiciones orales, tareas, trabajo en equipo, participaciones en clase. Trabajo de fin de curso. F1201 Calor, Ondas y Fluidos 7/8
Termodinámica. 4.13 Conceptos básicos de la Teoría Cinética. la Segundo Ley de la Termodinámica. Conocerá el enunciado de la Tercera Ley de la Termodinámica. su relación con otras formas de energía ya conocidas y su empleo para efectuar trabajo mecánico. Analice en base a la segunda ley de la termodinámica que el calor fluye espontáneamente de un cuerpo caliente a uno frío y no al revés. De una interpretación molecular de la presión y de la temperatura. Realice experimentos demostrativos que ilustren algunas de las problemáticas analizadas. Bibliografía básica 1. Resnick, R., Halliday D. y Krane K.S. (2004) Física, Vol. 1. 5ª Ed. México: CECSA. 2. Serway, R. A. y Jewett, J.W. (2004) Física. Texto basado en cálculo,vol. I,3ª Ed.. México: Thomson. 3. Serway R. A. y Jewett, J.W. (2008) Física para Ciencias e ingenierías, Vol. I. 7ª Ed. México: Thomson. 4. Ohanian, H.C. y Markert, J.T. (2009). Física para ingeniería y Ciencias, Vol.1. 3ª Ed. México: McGraw-Hill 5. Sears F.W., et. al. (2004) Física universitaria, Vol. 1. 11ª Ed. México: Pearson Educación. 6. Tipler,P.A y Mosca, G.(2005). Física para la ciencia y la tecnología Vol. 1, 5ª edición, México: Reverté Bibliografía complementaria 1. Hewitt,P.G. (2007) Física Conceptual,10ª Ed. México: Editorial Pearson. 2. Serway, R.A. (2009) Fundamentos de física Vol. I.México:) Cengage Learning Latinoamérica. 3. Lea, S.M y Burke, J.R. (1999) Física. La naturaleza de las cosas Vol. I. México: Thomson. F1201 Calor, Ondas y Fluidos 8/8