PRIMER CURSO. INGENIERÍA QUÍMICA Plan de la asignatura FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INGENIERÍA CURSO 07/08 DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA III 1) PROFESORADO Francisco Barranco Paulano Alberto Casado Rodríguez Fátima Masot Conde Ana Marco Ramírez 2) OBJETIVOS Los objetivos de la asignatura son: i) que los alumnos asimilen las leyes básicas de la Física que fundamentan la Ingeniería, haciendo especial énfasis en aquellas ramas que tienen más peso en la Ingeniería Química; ii) que los alumnos adquieran la actitud genuina del análisis científico de los problemas; iii) que los alumnos aprendan las técnicas básicas de los cálculos físicos. 3) REQUISITOS ACADÉMICOS Es muy conveniente haber cursado Matemáticas y Física durante el Bachillerato. 4) CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Como criterio fundamental de evaluación, se señala el conocimiento de los contenidos del temario y la formación propia de esta materia en cuanto a hábitos de razonamiento, métodos de cálculo, vocabulario apropiado, destreza en el análisis y resolución de problemas, aplicación correcta de las leyes de la Física, adecuado empleo del análisis dimensional y de las unidades
de medida. 2. Será requisito imprescindible para poder aprobar la asignatura haber realizado y aprobado las Prácticas de Laboratorio. 3. Exámenes parciales. El curso está dividido en dos cuatrimestres; primer cuatrimestre: Mecánica; segundo cuatrimestre: Fluidos, Electricidad y Magnetismo Óptica, Estructura de la Materia y Termodinámica, con una prueba parcial al finalizar cada cuatrimestre. La superación de alguna de ellas supone la eliminación de la materia correspondiente hasta la convocatoria de Septiembre. A la nota obtenida en cada examen parcial se añadirá (hasta un máximo de 1 punto) la obtenida mediante los trabajos voluntarios. 4. Exámenes Ordinarios. El alumno sólo tiene que presentarse a la parte de la asignatura no superada en pruebas parciales. Caso de haber superado las dos pruebas parciales el alumno no tiene obligación de presentarse a examen. El alumno tiene derecho a presentarse a la asignatura completa, aun cuando haya superado alguna de las pruebas parciales o ambas. 5. Calificación. La calificación global de la asignatura, será la media aritmética de los dos parciales, si la puntuación de cada parcial es superior o igual a 4,0 puntos, más la nota de prácticas (de 0 a 1 punto), aprobándose si se obtiene una nota superior o igual a 5,0. Si se ha presentado a examen ordinario, la nota global será la de éste, o la media con la materia eliminada por parciales, si ambas son mayores o iguales a 4,0 (más la nota de prácticas), y en caso contrario será la menor de ellas. El aprobado se obtiene con un mínimo de 5,0 puntos. 5) METODOLOGÍA DOCENTE La metodología seguida es básicamente la clásica: clases de pizarra teóricas y de problemas, además de las sesiones de laboratorio, que se realizan en grupos de dos alumnos. Todo esto se complementa con trabajos voluntarios (unos cuatro por parcial) sobre temas de especial interés que los profesores van proponiendo en clase a lo largo del curso.
6) PROGRAMA PRIMER CUATRIMESTRE MECÁNICA 1. MEDIDAS Medidas. Cantidades Físicas, patrones y unidades. Marcos de referencia. Patrones de longitud, tiempo y masa. Sistemas de unidades. Teoría de errores. 2. VECTORES Vectores y escalares. Suma de vectores (método geométrico). Descomposición y suma de vectores (método analítico). Productos de vectores: escalar, vectorial, mixto, doble vectorial. Vectores deslizantes. Momento respecto a un punto. Vectores ligados. 3. CINEMÁTICA DEL PUNTO Sistemas de referencia. Velocidad y aceleración. Componentes intrínsecas de la velocidad y la aceleración. Movimientos elementales en una dimensión y en un plano. Movimiento relativo; de traslación y de rotación. 4. DINÁMICA DE LA PARTÍCULA I (Fuerzas) Introducción. Leyes de Newton. Sistemas de referencia inerciales. Fuerzas básicas de la Naturaleza. Masa inercial y masa gravitatoria. Fuerzas reales y fuerzas ficticias. Límites de validez de la mecánica clásica. 5. DINÁMICA DE LA PARTÍCULA II (Trabajo) Trabajo y energía cinética. Potencia. Fuerzas conservativas. Energía potencial. Solución completa del problema para fuerzas en una dimensión que dependen exclusivamente de la posición. Fuerzas conservativas en dos y tres dimensiones. Gradiente. 6. DINÁMICA DE LA PARTÍCULA III (Cantidad de movimiento y momento angular) Cantidad de movimiento y sus teoremas. Momento angular y sus teoremas. Fuerzas centrales y conservación del momento angular.
Movimiento en un campo gravitatorio. 7. SISTEMAS DE PARTÍCULAS Sistemas de partículas. Centro de masas. Teorema de la cantidad de movimiento. Teorema del momento angular. Teorema de la energía. Colisiones. 8. EL SÓLIDO RÍGIDO El sólido rígido. Momento angular y energía cinética. Sólido libre. Sólido con eje de rotación fijo. Movimiento giroscópico. Equilibrio de un cuerpo rígido. Fuerza de rozamiento y equilibrio. Fuerzas internas. Equilibrio de sistemas de cuerpos rígidos articulados. FLUIDOS 9. FLUIDOS Introducción. Presión y densidad. Variación de la presión en un fluido en reposo. Principios de Pascal y de Arquímedes. Medida de la presión. Flujo. Líneas de corriente. Ecuación de continuidad. Ecuación de Bernoulli; aplicaciones. Campos de flujo. SEGUNDO CUATRIMESTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO 10. CAMPO ELÉCTRICO Carga eléctrica. Conductores y aislantes. Ley de Coulomb. Principio de superposición. Campo eléctrico: de una carga
puntual; de una distribución de cargas puntuales; de una distribución continua de carga. Ley de Gauss. Distribución de carga en un conductor. Otras aplicaciones de la Ley de Gauss. 11. POTENCIAL ELÉCTRICO Circulación del campo eléctrico. Diferencia de potencial. Gradiente y campo eléctrico. Potencial debido a una carga puntual. Principio de superposición. Potencial debido a una distribución de carga. Potencial creado por un dipolo. Potencial en un conductor. Energía potencial eléctrica. Energía de una distribución de cargas. Energía y campo eléctrico. 12. CONDENSADORES Y DIELÉCTRICOS Capacidad. Condensadores. Asociaciones. Condensador plano con dieléctrico. Dieléctricos; comportamiento de los átomos. Polarización. Cargas de polarización. Vector desplazamiento. Ley de Gauss para dieléctricos. Energía electrostática en presencia de dieléctricos. 13. CORRIENTE Y RESISTENCIA Corriente y densidad de corriente. Resistencia, resistividad y conductividad. Ley de Ohm. Resistividad; comportamiento de los átomos. Disipación de energía en un circuito eléctrico. Fuerza electromotriz. Circuitos simples. Leyes de Kirchoff. Circuitos RC. 14. CAMPO MAGNÉTICO El campo magnético. Ley de Lorentz. Definición de B. Fuerza magnética sobre una corriente. Momento sobre una espira. El ciclotrón. Ley de Biot Savart y Ley de Ampere. Aplicaciones. 15. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Experimentos de Faraday. Ley de inducción de Faraday. Ley de Lenz. Campos magnéticos variables con el tiempo. El betatrón. Inducción y movimiento relativo. Inductancia. Circuito LR. Energía y campo magnético. Densidad de energía. 16. PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA
Polos y dipolos. Ley de Gauss para el magnetismo. Paramagnetismo. Diamagnetismo. Ferromagnetismo. Magnetismo nuclear. Magnetización. Corrientes de magnetización. 17. OSCILACIONES. ECUACIONES DE MAXWELL Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Circuito LC. Oscilaciones forzadas y resonancia. Campos magnéticos inducidos y Corriente de desplazamiento. Ecuaciones de Maxwell. Ondas planas. El vector de Poynting. Radiación. ÓPTICA 18. LUZ. REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN La luz y el espectro electromagnético. Energía y cantidad de movimiento. Efecto Doppler. Principio de Huygens. Reflexión y Refracción. Reflexión total interna. Principio de Fermat. Óptica geométrica y óptica ondulatoria. Ondas esféricas: espejo plano; espejo esférico; dioptrio esférico. Lentes delgadas. 19. INTERFERENCIAS Y DIFRACCIÓN Introducción; el experimento de Young. Coherencia. Suma de perturbaciones ondulatorias. Difracción: rendija simple; rendija doble; abertura circular. Redes de difracción. Rayos X y ley de Bragg. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 20. LUZ. DUALIDAD ONDA PARTÍCULA. EL ÁTOMO. EL NÚCLEO. Efecto fotoeléctrico. Teoría de los fotones de Einstein. Efecto Compton. Espectro del átomo de hidrógeno. Teoría de Bohr. Ondas de De Broglie. Ecuación de ondas de Schroedinger. Solución en un pozo de potencial unidimensional. El átomo de hidrógeno. Momento magnético. Spin del electrón. El neutrón y el protón. Energía de enlace nuclear. Fórmula semiempírica de
masas; modelo de la gota líquida. Potencial nuclear. Números mágicos y abundancias. Radiación alfa. Radiación beta. Radiación gamma. Fisión. Fusión. TERMODINÁMICA 21. PRINCIPIOS BÁSICOS Y TEMPERATURA Introducción. Variables termodinámicas. Sistemas termodinámicos. Equilibrio termodinámico. Transformaciones termodinámicas. Procesos reversibles e irreversibles. Principio cero. Concepto de temperatura. Escalas. Termómetro de gas a volumen constante. Temperatura absoluta. Punto fijo estandard. Escala internacional. 22. CALOR Y TRABAJO Naturaleza del calor. Unidades caloríficas. Capacidad calorífica y calor específico. Medida de la capacidad calorífica. Microcalorímetro de Tian Calvet. Calor específico de los gases. Calor específico de los sólidos. Trabajo. Diagramas P V. Trabajo en sistemas gaseosos. Variables extensivas e intensivas. El trabajo en diversos sistemas termodinámicos. Coeficientes de dilatación, de compresibilidad y piezotérmico. Aplicación al trabajo en sólidos. 23. PRIMER PRINCIPIO Equivalencia entre calor y trabajo. Energía interna; el primer principio de la termodinámica. Aplicaciones. Calores de reacción; Entalpía. Calor específico direccional. Sistemas abiertos: Flujo estacionario; ejemplos. 24. GASES IDEALES Y GASES REALES Leyes de los gases ideales: ley de Boyle Mariotte; Ley de Gay Lussac; Ecuación de estado; Ley de Dalton; Ley de Joule; Ley de Mayer. Energía interna y entalpía: en un gas ideal; en una mezcla de gases ideales. Transformaciones adiabáticas en un gas ideal. Formula de Reech. Trabajo en una transformación adiabática. Gases reales. Ecuaciones de estado. Saturación y punto crítico. Estados metaestables. Ecuación de Van der Waals. 25. SEGUNDO PRINCIPIO Y ENTROPÍA
Segundo principio: enunciado de Kelvin Planck; enunciado de Clausius. Ciclo de Carnot. Temperatura termodinámica. Teorema de Clausius. Definición de entropía. Cálculos de variaciones de entropía en procesos reversibles: cambio de fase; adiabático; a volumen constante; en gases perfectos. Entropía de una mezcla de gases ideales inertes. Entropía e irreversibilidad. Desigualdad de Clausius y principio de evolución. Interpretación estadística de la entropía. 26. FUNCIONES TERMODINÁMICAS Introducción. Función de Helmholtz. Función de Gibbs. Propiedades de las funciones termodinámicas. Condiciones de equilibrio termodinámico. Potencial químico. Sistemas de varios componentes. Cambios de fase de primer y segundo orden. Fórmula de Clausius Clapeyron. 27. TRANSMISIÓN DEL CALOR Introducción. Regímenes estacionario y transitorio. Conductividad calorífica: ley de Fourier. Aplicaciones. Ecuación general de conducción térmica en un sólido isótropo. Analogías termoeléctricas. Flujo lineal de calor en una barra. Ondas térmicas. Convección calorífica. Conducción y conductividad combinadas. Radiación. 7) BIBLIOGRAFÍA Serway y Jewet, Física I y II, ed. Thomson Resnick y Halliday, Física I y II. Sear, Zemansky, Young y Freedman, Física Universitaria, Tipler y Mosca, Física para la ciencia y la tecnología, ed. Reverte J. Aguilar, Termodinámica y Mecánica Estadística. Alonso y Finn, Física. Feynman, Física I, II y III. Reitz, Milford y Christy, Fundamentos de la Teoría Electromagnética. 8) PRÁCTICAS
1. Medidas geométricas, errores de medida. 2. Ecuación de Estado de los gases ideales 3. Leyes de Newton 4. Momentos de inercia. Teorema de Steiner 5. Ley de Ohm 6. Construcción de un voltímetro y un óhmetro 7. Determinación de la constante de Planck mediante el efecto fotoeléctrico 8. Interferómetro de Michelson