PRIMER CURSO. INGENIERÍA QUÍMICA (plan 98) Proyecto de la asignatura FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INGENIERÍA CURSOS 10/11, 11/12 y 12/13 DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA III 1) PROFESOR COORDINADOR - Francisco Barranco Paulano 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) CRITERIOS Y SISTEMA DE EVALUACIÓN 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. Calificación: será la obtenida en examen ordinario, que constará de un apartado de teoría, uno de problemas y uno de prácticas (si no las tuviera convalidadas), con pesos de 45%, 45% y 10% respectivamente. 4) TEMARIO
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. 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. 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. 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 5) 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.