Fisica

INTRODUCCIÓN

El desperdicio de agua es uno de los principales problemas relacionados con la disponibilidad y utilización de los recursos hídricos en la actualidad.

En ese sentido, es importante comprender el problema analizando la totalidad de la cuestión, es decir, la cantidad de agua desperdiciada no solamente por el mal uso residencial, sino también por los equipamientos públicos y prácticas económicas en general. Las formas más comunes de desperdicio de agua son conocidas por todos: el grifo mal cerrado, el baño excesivamente largo, la manguera conectada sin uso, el lavado de calzadas, los excesos en la limpieza de los vehículos, entre otras prácticas.

Sin embargo esa no es la única causa para el problema en cuestión. Una parte considerable de los residuos se lleva a cabo en el transporte de agua para el consumidor, lo que es resultado de tuberías públicas viejas o dañadas, obras mal realizadas, además de las redirecciones clandestinas de agua. Eso sucede en todos los países, que siempre presentan cierta tasa de desperdicio de agua: Japón, por ejemplo, desperdicia 10% de su agua; Alemania pierde 9%, siguiendo la media de los países europeos.

Cabe recordar, sin embargo, que la actividad que más desperdicia agua es la agricultura. En las áreas de regadío, por ejemplo, el desperdicio llega al 50% del agua utilizada, tanto por fugas como por el empleo de técnicas que utilizan más recursos hídricos de lo necesario, así como las pérdidas por evaporación. El cambio en las prácticas agrícolas y la adecuación en los métodos de irrigación pueden ser factores para disminuir el consumo de agua sin afectar a la producción de alimentos y productos primarios en general.

DESARROLLO

Un fluido es todo cuerpo que tiene la propiedad de fluir, y carece de rigidez y elasticidad, y en consecuencia cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma y adoptando así la forma del recipiente que lo contiene. Los fluidos pueden ser líquidos o gases según la diferente intensidad de las fuerzas de cohesión existentes entre sus moléculas.

En los líquidos, las fuerzas intermoleculares permiten que las partículas se muevan libremente, aunque mantienen enlaces latentes que hacen que las sustancias en este estado presenten volumen constante o fijo. Cuando se vierte un líquido a un recipiente, el líquido ocupará el volumen parcial o igual al volumen del recipiente sin importar la forma de este último.

Los líquidos son incompresibles debido a que su volumen no disminuye al ejercerle fuerzas muy grandes. Otra de sus propiedades es que ejercen presión sobre los cuerpos sumergidos en ellos o sobre las paredes del recipiente que los contiene. Esta presión se llama presión hidrostática.

Hidráulica

La hidráulica es la rama de la física que estudia el comportamiento de los líquidos en función de sus propiedades específicas. Es decir, estudia las propiedades mecánicas de los líquidos dependiendo de las fuerzas a las que son sometidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa y a las condiciones a las que esté sometido el fluido, relacionadas con la viscosidad de este.

Hidrostática

La hidrostática es la rama de la hidráulica que estudia los incompresibles líquidos y gases en estado de equilibrio.

Las características principales que presenta todo fluido son:

Cohesión. Fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia.

Tensión superficial. Fenómeno que se presenta debido a la atracción entre las moléculas de la superficie de un líquido.

Adherencia. Fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes en contacto.

Capilaridad. Se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, debido al fenómeno de adherencia. En caso de ser la pared un recipiente o tubo muy delgado (denominados "capilares") este fenómeno se puede apreciar con mucha claridad.

Presión de un fluido en equilibrio

En términos de mecánica clásica, la presión de un fluido incompresible en estado de equilibrio se puede expresar mediante la siguiente fórmula:

Principio de Pascal

El principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: «el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible (generalmente se trata de un líquido incompresible), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo».

Es decir, que si se aplica presión a un líquido no comprimible en un recipiente cerrado, esta se transmite con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. Este tipo de fenómeno se puede apreciar, por ejemplo, en la prensa hidráulica o en el gato hidráulico; ambos dispositivos se basan en este principio. La condición de que el recipiente sea indeformable es necesaria para que los cambios en la presión no actúen deformando las paredes del mismo en lugar de transmitirse a todos los puntos del líquido.

Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes establece que cualquier cuerpo sólido que se encuentre sumergido total o parcialmente en un fluido será empujado en dirección ascendente por una fuerza igual al peso del volumen del líquido desplazado por el cuerpo sólido. El objeto no necesariamente ha de estar completamente sumergido en dicho fluido, ya que si el empuje que recibe es mayor que el peso aparente del objeto, este flotará y estará sumergido solo parcialmente.

Hidrodinámica

La hidrodinámica estudia la dinámica de los líquidos.

Para el estudio de la hidrodinámica normalmente se consideran tres aproximaciones importantes: que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con los gases.

La hidrodinámica tiene numerosas aplicaciones industriales, como diseño de canales, construcción de puertos y presas, fabricación de barcos, turbinas, etc.

Daniel Bernoulli fue uno de los primeros matemáticos que realizó estudios de hidrodinámica, siendo precisamente él quien dio nombre a esta rama de la física con su obra de 1738, Hydrodynamica.

Termodinamica

La termodinámica es una parte de la física que nos permite conocer la relación de calor y movimiento. Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas. 

Estudia el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema tiende a evolucionar y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas

Conceptos

Termodinámica: Es la parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.

Contacto térmico:  Con el contacto térmico, dos objetos que se están tocando inician un intercambio de energía. El calor fluye del cuerpo más caliente al más frío, más rápidamente cuanto mayor sea su diferencia de temperatura. Y con más intensidad si el receptor es un buen conductor (los metales, el mármol...) o con menos intensidad si es mal conductor (la madera). Ejemplo: El metal nos hace sentir frío porque nos roba una gran cantidad de energía, en tanto que la madera, al ser mal conductor, nos hace sentir calor en cuanto la superficie en contacto se calienta.

Equilibrio térmico: Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico. Ejemplo: si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecerá un flujo de energía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.

Sistema termodinámico: Se llama sistema termodinámico a la región del Universo separada del resto (el entorno) por una superficie cerrada, real o imaginaria, a través de la que se relaciona mediante intercambios de materia o energía. Ejemplo: El Universo está formado a efectos termodinámicos por el sistema y su entorno.

Sistemas abiertos: permiten el intercambio tanto de materia como de energía con el entorno. Ejemplo: Una olla de agua hirviendo. La energía introducida al sistema por el fuego transforma el agua en gas, que es liberado de vuelta al medio ambiente. Sin esa inyección de calor constante, el agua dejará de hervir; y sin espacio para salir, el vapor (materia) aumentará la presión hasta reventar la olla.

Sistemas cerrados: permiten el intercambio de energía con el entorno, pero no el de materia. Ejemplo: Una botella de agua fría. Al estar cerrada la botella, la transferencia de materia entre el sistema y el entorno es imposible: no puede entrar ni salir líquido. Sin embargo, es posible intercambiar energía: el agua se irá calentando gradualmente hasta perder su frialdad.

Sistemas aislados: no permiten el intercambio ni de materia ni de energía con el entorno. No obstante, dado el tiempo suficiente, la inevitable fuga del calor ocurrirá y el contenido volverá a estar frio

Sistemas adiabáticos: no permiten el intercambio de materia con el entorno ni el intercambio de energía en forma de calor con el entorno, pero sí permiten intercambiar energía con el entorno en forma de trabajo. Ejemplo: la compresión del pistón en una bomba de inflado de ruedas de bicicleta, o la descompresión rápida del émbolo de una jeringa (previamente comprimido con el agujero de salida taponado).

Paredes adiabáticas: Una pared adiabática no permite que exista interacción térmica del sistema con los alrededores. Ejemplo: un tortillero que no permite el intercambio de temperatura.

Paredes diatérmicas: Es aquella que permite la transferencia de energía térmica (calor) pero, en general, sin que haya transferencia de masa. Ejemplo: un vaso, una chapa de acero, los muros de una casa, etc, todos en mayor o menor grado permiten la transferencia de calor.

Características de los estados agregación de la materia.

La materia en estado sólido presenta un cuerpo bien definido y con volumen y forma propios y constantes. Esto se debe a que sus átomos forman estructuras rígidas, estrechas, que ofrecen resistencia a las fuerzas externas que se apliquen sobre ellos. Son más o menos resistentes a la fragmentación, y presentan nula o escasa fluidez, tienen una cohesión elevada y también una “memoria de forma”, es decir, tienden a recuperar elásticamente su forma original cuando se los somete a una fuerza. Ejemplo: Un buen ejemplo de materia en estado sólido es el hielo, pues su composición química sigue siendo H₂O (agua), pero en estado sólido.

Cuando la materia está en estado gaseoso, se la denomina “gas”. Sus partículas entonces están poco unidas, expandidas a lo largo del espacio circundante y presentan una fuerza de atracción muy leve entre sí. Por eso no tienen forma y volumen definidos. En este estado la materia presenta una bajísima densidad, puesto que sus partículas se encuentran en un relativo desorden, desplazándose muy velozmente en el espacio; y presentan también una baja respuesta a la gravedad, lo que les permite flotar. Además, tienen cohesión casi nula y variable volumen, pero una gran capacidad para ser comprimidos. Ejemplo: El vapor de agua es un claro ejemplo del estado gaseoso, pues continúa siendo igual químicamente (H₂O) pero en estado de gas.

El estado líquido de la materia se caracteriza por una unión bastante más laxa entre sus átomos de lo que se muestra en los sólidos. Esto le brinda fluidez, una de sus características principales, y significa que la materia líquida no tiene una forma determinada, propia, sino que asume la del recipiente en donde se encuentre. Presenta menor cohesión que los sólidos, pero mayor compresibilidad y suele presentar contracción en presencia del frío. Ejemplo: El ejemplo clásico del estado líquido es el agua (H2O), el líquido más abundante del planeta.

Transición de fase: Es la transformación de un sistema termodinámico de una fase a otra. Ejemplo: los cambios de estado (transiciones entre los estados de agregación de la materia), aunque el concepto también se refiere a cualquier otra transformación entre fases.

Ley cero de la termodinámica: Permite definir la variable no mecánica temperatura, T , y su medición; asegura que existe relación funcional entre T y las variables mecánicas del sistema: T = f(X1, X2, . . . , XN | {z } variables mecánicas ) Relación empírica A nivel molecular, T se relaciona con la energía cinética promedio de los átomos o moléculas del sistema (mecánica estadística); justifica la definición y construcción de un termómetro. Ejemplo: Una columna de mercurio.

Trabajo termodinámico:  Está asociado al cambio de las variables macroscópicas, como pueden ser el volumen, la presión, la posición y velocidad del centro de masas, el voltaje, etc. (pero no la temperatura, que es microscópica) Se realiza trabajo cuando se acelera un objeto, cambiando la velocidad de su CM. Por contra, si lo que se hace es aumentar la temperatura de un gas, incrementando la energía cinética de cada partícula, a este proceso lo llamamos calor.

Primera ley de la termodinámica: La primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor transferido intercambiado en un sistema a través de una nueva variable termodinámica, la energía interna. Dicha energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. Ejemplo: En el motor de un automóvil la combustión de gasolina libera energía, una parte de ésta es convertida en trabajo, que se aprecia viendo el motor en movimiento y otra parte es convertida en calor. 

Conclusión 

Es de vital importancia conocer los conceptos de los términos utilizados en la física, en especial los de la termodinámica los cuales vamos a estar usando y llevando a la práctica durante la clase.

El manejo adecuado de estos términos puede significar un mayor o menor entendimiento en la materia a la hora de resolver ejercicios, siempre y cuando sean entendidos y estudiados adecuadamente.

Creemos que desde la asignatura no se puede ayudar mucho a la problemática a no ser que se esté trabajando en un proyecto de prototipo, creemos que la actividad está mal diseñada para su realización y que no en todas las problemáticas se puede encontrar un principio físico que se relacione con la problemática seleccionada, repito, a no ser que se esté trabajando sobre un prototipo sin embargo hemos tratado de darle sentido al trabajo en la medida de lo posible.

Antes que nada cabe señalar que nuestra problemática es: “Desperdicio de Agua” enfocada en el Plantel Sor Juan Inés de la Cruz, a continuación se mencionan nuestras propuestas y de qué manera estas ayudan a combatir la problemática.