Termodinámica
(Adrián Huerta)
Perfil de Egreso de la Licenciatura en Física
Artículo 3 – Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos
Será un profesionista que habrá adquirido hábitos de trabajo individual y colaborativo en un marco de tolerancia, respeto, autocrítica, responsabilidad, disciplina, honestidad y objetividad.
Habrá adquirido la habilidad para realizar planteamientos de problemas de la realidad y tratar de dar soluciones con base en los conocimientos que tiene la disciplina, esto es, a partir de la abstracción y la propuesta de modelos, mediante la aplicación de técnicas analíticas y de experimentación y de simulación en los distintos campos de la Física y otras áreas relacionadas.
Tendrá un sólido conocimiento en las áreas fundamentales de la Física: Mecánica Teórica, Mecánica Cuántica, Electrodinámica, Física Estadística y técnicas experimentales, así como también una sólida formación Matemática que le permite hacer descripciones precisas de los fenómenos físicos. Tendrá, además, los conocimientos necesarios en computación para abordar problemas de Física con esta poderosa herramienta.
Tendrá la capacidad para aplicar los conocimientos adquiridos y desenvolverse en distintos ámbitos profesionales vinculados con: la realización de estudios de posgrado, investigación teórica y experimental, docencia en el nivel preuniversitario, difusión de la ciencia de manera oral y escrita, diseño experimental y confrontación de hipótesis de manera cuantificada y dominio de herramientas computacionales actuales relacionadas con su formación.
Aporte al perfil de egreso y su relación con otras experiencias educativas
«Una teoría es mas impresionante cuanto mayor sea la simplicidad de sus postulados, el número de cosas que relacione y la extensión de su campo de aplicación. De aquí la impresión tan profunda que me ha causado la termodinámica. Es la única teoría física de contenido universal de la cual estoy convencido que, por lo que respecta al campo de aplicación de sus conceptos básicos, nunca será destituida. Por sólo esas razones, es una parte muy importante en la educación de un físico.» A. Einstein.
La termodinámica tiene una fuerte relación con todas de las experiencias educativas del área de formación básica.
Así como la mayoría de las experiencias educativas de formación disciplinar como son: Mecánica Clásica, Mecánica Cuántica, Electrodinámica y Mecánica Estadística. Siendo de gran importancia para esta última debido a su carácter integrador de todos los conocimientos adquiridos en las experiencias educativas mencionadas.
Competencias
Al termino de esta experiencia educativa se espera que el estudiante sea capaz de describir, analizar e interpretar las propiedades en equilibrio de diversos sistemas termodinámicos, y como cambian dichas propiedades debido a una variación de temperatura, presión, potencial químico, etc, en tanto no se tenga en cuenta la composición microscópica de la materia. Lo anterior debido a que la termodinámica es una ciencia fenomenológica basada en leyes generales inferidas de los experimentos e independiente de cualquier modelo microscópico de la materia. Siendo esto último como se mencionó anteriormente competencia de la mecánica estadística.
Subcompetencias
1. El alumno aprenderá a definir un sistema termodinámico, mediante el tipo de: a) fronteras y b) alrededores. Así como también identificar el tipo de propiedades (o variables) termodinámicas adecuadas para cada sistema en particular.
2. El alumno aprenderá y diferenciará claramente los conceptos de energía interna, calor, trabajo y temperatura. En base al análisis de las observaciones experimentales que condujeron la formulación teórica de la termodinámica (Experimento de Joule, Gay Lussac, etc). Entenderá también el concepto de equilibrio térmico y la importancia de diferenciarlos con otro tipo de estados de equilibrio como pueden ser estacionarios o metaestaestables. La formulación de la ley cero de la termodinámica, la existencia de un parámetro intensivo llamado temperatura (empírica), que se comparte en el equilibrio, así como advertirá sobre la existencia de una ecuación que describe el estado de un sistema (ecuación de estado térmica). Finalmente, se dará cuenta de las fuertes implicaciones que tiene esta ley para poder medir la temperatura (termómetro y propiedades termométricas).
3. Primera ley: (Enegía Interna, calor y trabajo)
4. Segunda ley: (Entropía, Procesos ciclicos, máquinas térmicas)
5. Aplicaciones de estas leyes a diversos sistemas termodinámicos y Tercera Ley. Será capaz aplicar estas leyes para el estudio de a diferentes sistemas físicos. Como pueden ser gases, líquidos, sólidos, sistemas magnéticos, superconductores, entre otros, así como la eficiencia de diferentes máquinas térmicas como la de Carnot. Identificando claramente profundas aplicaciones de esta teoría en áreas como las ingenierías y la química.
6. Taller. El estudiante será capaz de usar diferentes programas de simulación numérica que le permitan entender los conceptos detallados en las subcompetencias descritas anteriormente (Esto esta aún en desarrollo, por el momento usaremos «Open Source Physics» http://www.compadre.org/osp/ ).
Tareas
El alumno desarrollará dos tareas de cada una de las subcompetencias con dos niveles 1) conceptual y 2) desarrollará una aplicación de dicho concepto. Lo anterior con objeto de que el concepto sea entendido y que éste se practique desarrollando así experiencia. En la segunda mitad se desarrollará un proyecto de investigación sobre un sistema termodinámico en partículas ejemplificando claramente las competencias aprendidas durante el curso, como se establece a continuación.
Planeación
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Semana |
Martes (1hrs) |
Miercoles (2hrs) |
Jueves (2hr) |
Competencia |
Proyectos |
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1 Feb |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,6 |
Pensar Proyecto |
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2 Feb |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,6 |
Pensar Proyecto |
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3 Feb |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,5,6 |
Pensar Proyecto |
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4 Feb |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Examen Ley 0 |
1,2,5,6 |
Pensar Proyecto |
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5 Marzo |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,2,5,6 |
Pensar Proyecto |
|
6 Marzo |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,2,5,6 |
Pensar Proyecto |
|
7 Marzo |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,2,5,6 |
Pensar Proyecto |
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|
8 Marzo |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Examen 1ra Ley |
1,2,3,5,6 |
Pensar Proyecto |
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9 Marzo-Abril |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,2,3,5,6 |
Realizar Proyecto |
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10 Abril |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,2,3,5,6 |
Realizar Proyecto |
|
11 Abril |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,2,3,4,5,6 |
Realizar Proyecto |
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12 Abril |
Teoría/Ejemplos |
Examen 2a Ley |
1,2,3,4,5,6 |
Realizar Proyecto |
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13 Abril-Mayo |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,2,3,4,5,6 |
Realizar Proyecto |
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14 Mayo |
Taller Aplicaciones |
1,2,3,4,5,6 |
Realizar Proyecto |
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16 Mayo |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Taller Aplicaciones |
1,2,3,4,5,6 |
Realizar Proyecto |
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17 Mayo |
Teoría/Ejemplos |
Teoría/Ejemplos |
Presentar P. Final |
1,2,3,4,5,6 |
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Examenes (Jun) |
Ordinario 1semana Junio |
Extra 2 semana Junio |
Título 3er semana Junio |
Bibliografía
- Leopoldo García-Colín Scherer, «Introducción a la Termodinámica», (Trillas, 1990)
- Mark W. Zemansky, «Heat and Thermodynamics», 5th edition (McGraw-Hill 1968)
- Howard Reiss, «Methods of Thermodynamics» (Dover, 1965)
- Gerardo Carmona, «Termodinámica Clásica» (Facultad de Ciencias, UNAM)
- Annick Lesne and Michel Laguës, «Scale Invariance» (Springer 2003-2008)
Ligas de interés
- Escalas del Universo Interactivo. Sistemas Microscopicos y Macroscopicos
- Statistical and Thermal Physics
- Open Source Physics
- Red Mexicana de Materia Condensada Blanda
- Random Force & Brownian
- Apollo 15: feather and hammer drop
- Food and Science. Harvard University.
Videos del VII Encuentro Xalapeño de Física
- La situación de la Física en México. Dr. Leopoldo García-Colín Scherer. Partes 1,2,3 y 4.
- Estadística, flujos y correlaciones en modelos simples de transporte termodinámico. Dr. Hérnan Larralde Ridaura. Partes 1,2,3 y 4.
- Física estadística y regulación transcripcional. Dr. Enrique Hernández Lemus. Partes 1,2,3 y 4.
- Imanes monomoleculares. Dr. Jorge Hirsch. Partes 1,2,3 y 4.
- El universo: todo lo que brilla. Dr. Adnan Bashir. Partes 1,2,3 y 4.
«Nothing in life is to be feared, it is only to be understood. Now is the time to understand more, so that we may fear less» Marie Curie
«People are made to be loved and things are made to be used. Chaos in the world is because people are used and things are loved» (?)
«In science one tries to tell people, in such a way as to be understood by everyone, something that no one ever knew before. But in poetry, it’s the exact opposite.» Paul Dirac
«The universe cannot be read until we have learnt the language and become familiar with the characters in which it is written. It is written in mathematical language, and the letters are triangles, circles and other geometrical figures, without which means it is humanly impossible to comprehend a single word.» Opere Il Saggiatore. Galileo Galilei
«Most teachers waste their time by asking questions which are intended to discover what a pupil does not know, whereas the true art of questioning has for its purpose to discover what the pupil knows or is capable of knowing» A. Einstein