Pontificia Universidad Javeriana Facultad de Ciencias Fluidos y termodinámica PROGRAMA DE ASIGNATURA Semestre 2220 Número de Créditos: 3 HORARIO Y SALÓN: Miércoles y Viernes 9:00 a.m. a 11:00 a.m. – Miércoles: 51 – 503, Viernes 51 - 505 Laboratorios: Martes o Jueves 9:00 a.m. a 11:00 a.m. – Tercer Piso Ed. 52 PROFESOR Sergio Bravo Medina Celular: 310 7851565 Correo: sergiobravom@javeriana.edu.co Horario de atención A convenir. JUSTIFICACIÓN La formación de estudiantes desde una visión integral de la Pontificia Universidad Javeriana (PUJ) se enfatiza en la apropiación de todo el conocimiento necesario por parte de sus estudiantes de ingeniería, en particular los temas de las ciencias básicas y por ello de la física. La formación científica de los estudiantes en los diferentes programas de ingeniería, requieren sólidos conocimientos en física básica, ya que, en sus niveles de acción y profesional, interactúan constantemente con aspectos relacionados con esta área. La física que involucra los fluidos y la termodinámica aporta fundamentalmente elementos teóricos y experimentales que permite a los estudiantes desarrollar operaciones mentales como observación, análisis y síntesis de los diferentes componentes en la solución de un problema para represéntalos por medio de un diagrama, gráfica o relación matemática, que utilizará para modelar e interpretar situaciones cotidianas. Teniendo en cuenta lo anterior el curso de fluidos y termodinámica será enfocado de acuerdo a las características de los grupos a partir de situaciones problema con el propósito de generar interés y motivación frente a la asignatura y fomentar el desarrollo de habilidades y actitudes para la indagación y generación de nuevo conocimiento. 1 DESCRIPCIÓN La asignatura de Fluidos y Termodinámica es fundamental para estudiantes de ingeniería, ya que en la práctica gran número de procesos industriales requieren la aplicación de los principios de fluidos, como de termodinámica. El conocimiento de estos principios es básico en la ingeniería, por ejemplo, estos se aplican para el estudio de flujo a presión (tuberías) tanto en acueductos como alcantarillados. También es básica en el estudio de canales (flujo libre) para conocer su comportamiento (caudales, velocidad, profundidad) que ayudaran a diseñar dichos canales (dimensiones y material). Si consideramos el viento, estudiar fluidos nos ayuda a determinar su accionar en algunos tipos de estructuras: edificios, torres, puentes, cubiertas metálicas. En ciclos de refrigeración, sistemas de potencia para la generación de electricidad (Termoeléctricas), etc. ¿Por qué el aire se enfría al incrementarse la altura, por qué el calor pasa de los cuerpos más caliente a los más fríos y no viceversa?, ¿Por qué sentimos una moneda más fría que un pedazo de madera a pesar de que ambos se encuentran a la misma temperatura?, ¿Por qué el aire caliente asciende?, ¿Qué es mejor al hacer una sopa, agregar el recado antes o después de que el agua hierve? OBJETIVOS DE FORMACIÓN 1. Interpretar los aspectos conceptuales de la formulación de teorías en mecánica de fluidos y termodinámica. 2. Predecir y resolver modelos matemáticos mediante el análisis de variables físicas y químicas en la aplicación de la mecánica de fluidos y termodinámica. 3. Identificar los diferentes procesos que hay en una termoeléctrica, hidroeléctrica basados en los principios de la termodinámica y fluidos aprehendidos en clase. Resultados de Aprendizaje Esperado (RAE) • • • • • • Predecir a partir de las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales sus características aplicándolas en la solución de problemas, basados en los modelos físicos vistos en clase. Resolver problemas de hidrostática empleando los teoremas de conservación de la masa, Pascal y Bernoulli. Evaluar los diferentes tipos de flujo (turbulento, laminar, de calor, de energía, por conducción, etc.) Aplicándolos en la solución de ejercicios reales de la física. Relacionar los conceptos de calor, trabajo, energía interna y temperatura a partir de los conceptos de energía y estado de un sistema por medio de ejemplos de la vida real y su aplicación en la solución de problemas. Aplicar las leyes de la termodinámica en la resolución de problemas relacionados con máquinas térmicas. Crear hábitos de trabajo individual y colectivo que generen un clima de pensamiento y autocritica en cada uno de los estudiantes. 2 ESTRUCTURA TEMÁTICA ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS Desarrollo de talleres de ejercicios en el aula de clase, como trabajo por parejas o grupos, como reforzamiento de los conceptos estudiados y como oportunidad de realización de retroalimentación de los conceptos estudiados. 3 Desarrollo de problemas experimentales de verificación que le permitan al estudiante poner en práctica el trabajo en grupo, comprender la fundamentación teórica de los diversos equipos y aplicar apropiadamente el uso y manejo adecuado de ellos. Desarrollo de talleres de trabajo autónomo dirigido, a través de los cuales el estudiante tiene la posibilidad de reforzar el proceso de apropiación de los conceptos y desarrollar actividades de análisis y solución de las situaciones cotidianas. Aplicación de evaluaciones cortas, quices, donde el estudiante tiene la posibilidad de poner en práctica la apropiación conceptual de la fundamentación teórica estudiada. Presentación de trabajos asignados sobre diversas temáticas donde el estudiante tiene la posibilidad de profundizar sus conocimientos mediante la búsqueda, selección y análisis de la información y se entrene en obtener, analizar y procesar información por su propia cuenta. Aplicación de evaluaciones, presenciales y virtuales, donde el estudiante tiene la posibilidad de poner en práctica la apropiación conceptual de la fundamentación teórica estudiada. CRONOGRAMA Semana Fecha 1 22 de julio 2 27 y 29 de julio 3 3 y 5 de agosto 4 10 y 12 de agosto 5 17 y 19 de agosto Actividad en clase o acompañamiento del profesor Presentación del curso. Naturaleza atómica de la materia. Modelo de cuerpo elástico. Ley de Hooke, módulo de Young, módulo de Poisson. S&Z: 11.4 – 11.7 Medina: Cap. 1 Laboratorio: Elasticidad Propiedades y definición de Fluido. Ecuación de la hidrostática, aplicaciones en manómetros. S&Z: 12.1 – 12.3 Laboratorio: Densidades Aplicación de la hidrostática: Flotación y Fuerzas sobre paredes. S&Z: 12.3 Çengel: 3.5 – 3.7 Laboratorio: Manometría Fluidos en movimiento: Introducción. Ecuación de Bernoulli. S&Z: 12.4 – 12.5 Çengel: 5.2 – 5.5 Laboratorio: Flotación Actividad de trabajo autónomo que debe realizar el estudiante Evaluación de la actividad Asignación taller. Evaluación Primer Taller Asignación taller. Evaluación Segundo Taller 4 6 24 y 26 de agosto 7 31 de agosto y 2 de septiembre 8 7 y 9 de septiembre 9 21 y 23 de septiembre 10 28 y 30 de septiembre 11 5 y 7 de octubre 12 12 y 14 de octubre 13 19 y 21 de octubre PRIMERA PRUEBA PARCIAL (20%) 26 de agosto Aplicaciones de Bernoulli. Çengel: 5.5 Laboratorio: Torricelli I Fluidos Reales y Viscosidad. Tensión Superficial. S&Z: 12-6 Çengel: 2.6 -2.7 Laboratorio: Torricelli II. Tiempo vaciado Temperatura. Temperatura de un gas ideal. Energía molecular. Dilatación Conducción. Calorimetría. Fases de la materia. Calor latente S&Z: 17.1 – 17.7 Laboratorio: Stokes Energía interna del gas ideal. Ecuación de estado del gas ideal. Gases Reales, fuerzas intermoleculares. S&Z: 18.1 – 18.5 Laboratorio: Dilatación Lineal Trabajo y energía interna. Calor. Primer principio de la Termodinámica. S&Z: 19.1 – 19.4 Laboratorio: Calor Específico Segunda prueba parcial (20%) 14 de octubre Primer Parcial: Temas Semanas 1-5. Lectura complementaria fluidos reales y viscosidad. Asignación Taller Evaluación Tercer Taller. Asignación Taller Evaluación Cuarto Taller Segundo Parcial: Temas Semanas 6-11 Máquinas térmicas. Procesos reversibles e irreversibles. S&Z: 19.5 – 19.8 5 Laboratorio: Equivalente Mecánico Procesos reversibles e irreversibles y entropía. S&Z: 20.1 – 20.4 Laboratorio: Ley de los Gases Segunda Ley de la Termodinámica. S&Z: 20.5 Laboratorio: Examen de Laboratorio Ciclo de Carnot. Entropía y la Segunda Ley. S&Z: 20.6 – 20.8 Laboratorio: Entrega de notas 14 26 y 28 de octubre 15 2 y 4 de noviembre 16 9 y 11 de noviembre 17 15 al 18 de noviembre Entrega 70% notas 18 Martes 22 de noviembre Examen final (30%) – 9:00 a 11:00 a.m. Asignación Taller Lectura complementaria máquinas térmicas. Evaluación Quinto Taller Taller Final Examen conjunto de la asignatura CRITERIOS DE EVALUACIÓN • • • Pruebas escritas individuales: Primera evaluación parcial, 6a semana (20%). Segunda evaluación parcial, 12a Semana. (20%). Examen final, 18 a semana. (30%). Nota: Los exámenes parciales se realizan los viernes de la semana programada. Práctica e informes de laboratorio (20%). Dividido de la siguiente manera: 80% Informes de laboratorio, 20% Examen de laboratorio. Nota: Para la nota de trabajo experimental o informes de laboratorio se sigue el método de verificación a partir de "El experimento problema"; inicialmente, se le plantea al estudiante una situación problema que deberá desarrollar aplicando los modelos estudiados para elaborar una predicción de comportamiento de una variable o de un fenómeno en estudio para, posteriormente, determinar experimentalmente el valor buscado y luego compararlos. Quices, talleres y trabajos (10%) Nota: En la nota de quices y talleres se pueden incluir también trabajos de investigación escritos, solución escrita de problemas, talleres en clase o fuera de ella, solución numérica de ejercicios con PC, exposiciones y proyectos escritos. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA • Sears, Zemansky, Young, Freedman, Física Universitaria, Volumen 1, decimosegunda edición, Pearson educacion, México, 2009. 6 • • H. Medina Guzmán, Física 2 - https://repositorio.pucp.edu.pe/index/handle/123456789/7140 Yunus A. Çengel y John M. Cimbala, Mecánica de Fluidos – Fundamentos y Aplicaciones, McGraw Hill 2006. BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA • • • • • Tipler, Paul y Gene Mosca, Física para la ciencia y la tecnología, Volumen 1. 6ta edición. Reverté, S.A., Barcelona, 2010. R. Resnick, D. Halliday, Krane. Física Vol. 1. 5ª Edición. C.E.C.S.A, México, 2002 Alonso, Finn, Física, ADDISON-WESLEY IBEROAMERICANA, U.S.A., 1995 Serway, Jewet. Física I Texto basado en cálculo, 3ª edición. Editorial Thomson, México, 2004. Wolfgang Bauer, Gary d. Westfall. Física para Ingeniería y Ciencias. Mc Graw Hill ISBN 978 607 15 0545 3. 2011. REGLAS DE JUEGO: • • • • • • • La asistencia a clase es responsabilidad del alumno. Los anuncios que se den en estos espacios se considerarán siempre de máxima importancia. Será de gran importancia la asistencia a tiempo a la clase y la participación en la misma. Los exámenes deben ser realizados de manera individual, sin ayudas externas ni colaboraciones. Cualquier evidencia de plagio se llevará a las máximas instancias posibles. Las actividades para ser entregadas tendrán un plazo considerable para ser entregadas. Por esto mismo no se recibirán trabajos por fuera de la fecha máxima estipulada. Los informes de laboratorio deben ser entregados por Brightspace la semana siguiente a la clase del laboratorio. Estos de igual forma deben ser hechos en su totalidad por el grupo de trabajo, no de forma colaborativa entre los grupos (a menos de que el profesor lo sugiera así). Los estudiantes deben revisar la práctica de laboratorio a realizar con anterioridad al día de la práctica. La asistencia a los laboratorio es obligatoria, los estudiantes deben estar en el salón de laboratorio a más tardar a las 11:15 a.m. de lo contrario no podrán presentar su informe de laboratorio. 7