Fundamentos de la termodinámica

1. Tema 1: Conceptos fundamentales de la termodinámica

   Definición de sistema, entorno, estado y propiedades termodinámicas; diferencias entre calor y trabajo; conceptos de equilibrio y temperatura.

2. Tema 2: Energía interna y cambios de estado

   Energía interna (U), estados termodinámicos y cambios de energía en procesos simples; relación con el calor y el trabajo.

3. Tema 3: Primera Ley de la Termodinámica

   Conservación de la energía en sistemas cerrados, formulación ?U = Q ? W y ejemplos prácticos de aplicación.

• Actividad: Exploración de un sistema cerrado

  Breve exploración de un sistema cerrado (ej.: un recipiente con gas) para identificar sistema, entorno, calor y trabajo.

  Puntos clave: distinguir entre Q y W, reconocer que ?U cambia ante transferencia de energía; concluir que la energía total se conserva.

• Actividad: Medición de temperatura y transferencia de calor

  Experimento sencillo con agua caliente y fría para observar cómo cambia la temperatura y discutir el intercambio de calor.

  Puntos clave: cuantificar ?T, relación con Q y capacidad calorífica; interpretación de la energía como cambio de estado.

• Actividad: Balance de energía en un proceso de calentamiento

  Ejercicio guiado donde se calcula ?U y se identifica la cantidad de calor y trabajo involucrados en un proceso de calentamiento a volumen casi constante.

  Puntos clave: aplicación de ?U = Q ? W, interpretación de signo de Q y W, resolución paso a paso.

• Actividad: Problemas cortos de repaso

  Conjunto de problemas breves en parejas sobre conceptos de sistema, calor, trabajo y la Primera Ley.

  Puntos clave: consolidación de definiciones, precisión en las ecuaciones y verificación de unidades.

La evaluación de esta unidad busca verificar el logro del objetivo general y los objetivos específicos mediante:

• Examen corto al final de la unidad con preguntas de opción y respuesta corta sobre conceptos clave y la Primera Ley.
• Ejercicios resueltos de balance de energía en sistemas cerrados (?U = Q ? W) para demostrar aplicación de fórmulas.
• Participación y desempeño en las actividades de laboratorio/experimentación y discusión en clase.

3 semanas.

1. Tema 1: Transferencia de calor

   Conducción, convección y radiación: mecanismos, ejemplos y factores que las afectan.

2. Tema 2: Energía interna y capacidad calorífica

   Concepto de energía interna, calor específico y capacidad calorífica; relación entre cambios de temperatura y ?U.

3. Tema 3: Procesos termodinámicos simples

   Aplicación de la Primera Ley a procesos de calentamiento, enfriamiento y cambios de fase en contextos simples.

• Actividad: Experimento de transferencia de calor 1

  Medir caudales de calentamiento de un objeto a diferentes ambientes para comparar conducción y convección.

  Puntos clave: identificar modo de transferencia dominante, registrar ?T y estimar Q aproximado.

• Actividad: Experimento de calor específico

  Calcular calor específico de un alimento o sustancia sencilla mediante cambio de temperatura y medición de calor absorbido.

  Puntos clave: usar ?U ? n c ?T, entender la relación entre calor y variación de energía interna.

• Actividad: Problemas de ?U = Q ? W en procesos de volumen variable

  Resolución guiada de problemas donde el sistema realiza trabajo al cambiar de volumen, con interpretaciones de signos.

  Puntos clave: distinguir entre calor suministrado y trabajo realizado, aplicar correctamente las ecuaciones.

• Actividad: Debate y resumen de conceptos

  Discusión en grupo sobre cuándo y cómo ocurre cada transferencia de calor en situaciones cotidianas y tecnológicas.

  Puntos clave: consolidar terminología, relacionar teoría con ejemplos reales.

Evaluación de los objetivos de la unidad mediante:

• Prueba de resolución de problemas centrada en ?U, Q y W en distintos escenarios de calor y trabajo.
• Informe de laboratorio o registro de actividades experimentales con interpretación de resultados y conclusiones.
• Participación y claridad en la explicación de los mecanismos de transferencia de calor.

3 semanas.

1. Tema 1: Entropía y la Segunda Ley

   Concepto de entropía, direccionalidad de los procesos y la interpretación cuantitativa de la Segunda Ley.

2. Tema 2: Procesos reversibles e irreversibles

   Comparación entre procesos reversibles e irreversibles, ejemplos y criterios de espontaneidad.

3. Tema 3: Ciclo de Carnot y eficiencia

   Motor y refrigerador ideales; límite teórico de eficiencia y su relación con la temperatura de las fuentes.

• Actividad: Calculando entropía en un sistema

  Ejercicio guiado para estimar cambios de entropía en procesos simples y discutir la dirección de los cambios.

  Puntos clave: entender la interpretación de ?S y su vínculo con la irreversibilidad.

• Actividad: Análisis de procesos reversibles e irreversibles

  Comparación de dos procesos con y sin irreversibilidad; discusión de pérdidas y eficiencia.

  Puntos clave: distinguir entre procesos teóricos y reales, comprender el concepto de entropía generada.

• Actividad: Ciclo de Carnot y eficiencia máxima

  Cálculo de la eficiencia de un ciclo de Carnot entre dos fuentes de temperatura y análisis de sus limitaciones en el mundo real.

  Puntos clave: entender el límite teórico, aplicar la fórmula ? = 1 ? Tc/Th, y discutir factores prácticos.

• Actividad: Evaluación de eficiencia en sistemas reales

  Estudio de un sistema térmico real (por ejemplo, una máquina simple) para estimar eficiencia y comparar con el límite de Carnot.

  Puntos clave: reflexión sobre optimización, pérdidas y condiciones ideales versus reales.

La evaluación de esta unidad se centra en la capacidad de aplicar la Segunda Ley y evaluar la eficiencia de procesos y máquinas:

• Prueba escrita con preguntas conceptuales y problemas de entropía y eficiencia.
• Actividad de análisis de ciclos (incluido el ciclo de Carnot) con cálculo de eficiencia y discusión de límites teóricos.
• Informe o presentación sobre diferencias entre procesos reversibles e irreversibles y su impacto en la entropía.

3 semanas.