Grado 10
  1. Mecánica  1.1. Dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y Rapidez  1.1.5. Aceleración  1.1.6. Representación gráfica del movimiento  1.1.7. Ecuaciones de movimiento  1.1.8. Caída libre y aceleración debido a la gravedad  1.1.9. Movimiento de un proyectil  1.1.10. Velocidad relativa  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton  1.2.2. Inercia y masa  1.2.3. Fuerza y sus tipos  1.2.4. fuerza de acción y reacción  1.2.5. La fricción y sus efectos  1.2.6. Coefficient of friction  1.2.7. Movimiento circular  1.2.8. Fuerza centrípeta y aceleración centrípeta  1.2.9. Momentum e Impulso  1.2.10. Conservación del momento  1.2.11. Tercera ley de Newton y aplicaciones  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial  1.3.5. Energía mecánica  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.3.8. Fuentes de energía renovables y no renovables  1.4. Fuerza gravitacional  1.4.1. La ley de gravitación universal de Newton  1.4.2. Campo gravitacional y fuerza del campo  1.4.3. Aceleración debida a la gravedad en diferentes planetas  1.4.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.4.5. Órbitas y satélites  1.4.6. Peso y peso aparente  1.4.7. Energía potencial gravitacional
  2. Propiedades de la materia  2.1. Estados de la materia  2.1.1. Sólido, líquido y gas  2.1.2. Estructura molecular de la materia  2.1.3. Fuerzas intermoleculares  2.1.4. Plasma y condensado de Bose–Einstein  2.2. Presión  2.2.1. Definición de Presión  2.2.2. Presión en líquidos  2.2.3. Presión atmosférica  2.2.4. Principio de Pascal  2.2.5. El principio de Arquímedes y la flotabilidad  2.2.6. Tensión superficial y capilaridad  2.3. Elasticidad  2.3.1. La ley de Hooke  2.3.2. Tensión y deformación  2.3.3. Límite elástico y módulo de elasticidad  2.3.4. Aplicaciones de la elasticidad
  3. Física térmica  3.1. calor y temperatura  3.1.1. Diferencia entre calor y temperatura  3.1.2. Escala de temperatura  3.1.3. Dilatación térmica  3.1.4. Equilibrio térmico  3.2. Transferencia de calor  3.2.1. Conductividad  3.2.2. Convección  3.2.3. Radiación  3.2.4. Aislamiento y sus aplicaciones  3.3. Propiedades térmicas de la materia  3.3.1. Capacidad calorífica específica  3.3.2. Calor latente y cambio de fase  3.3.3. Punto de ebullición y punto de fusión  3.3.4. Motores térmicos y refrigeración  3.4. Leyes de la Termodinámica  3.4.1. Ley cero de la termodinámica  3.4.2. Primera ley de la termodinámica  3.4.3. Segunda ley de la termodinámica  3.4.4. Ciclo de Carnot
  4. Ondas y óptica  4.1. Nature and properties of waves  4.1.1. Tipos de ondas en la naturaleza y propiedades de las ondas  4.1.2. Olas transversales y longitudinales  4.1.3. Parámetros de las ondas  4.1.4. Reflexión y refracción de ondas  4.1.5. Superposición e Interferencia  4.1.6. Ondas estacionarias y resonancia  4.1.7. Efecto Doppler  4.2. Ondas sonoras  4.2.1. Características de las ondas sonoras  4.2.2. Velocidad del sonido en diferentes medios  4.2.3. Aplicaciones de las ondas sonoras  4.2.4. Ultrasonido y sus usos  4.3. Ondas de Luz y Óptica  4.3.1. Naturaleza de la luz  4.3.2. Reflexión de la luz  4.3.3. Leyes de la reflexión  4.3.4. Espejos y Formación de Imágenes  4.3.5. Refracción de la luz  4.3.6. La Ley de Snell  4.3.7. Lentes y Formación de Imágenes  4.3.8. Reflexión interna total y ángulo crítico  4.3.9. Fibra óptica  4.4. Instrumentos Ópticos  4.4.1. Microscopio  4.4.2. Telescopio  4.4.3. Ojo humano y defectos de visión  4.4.4. Cámara y su principio de funcionamiento
  5. Electricidad y Magnetismo  5.1. Electrostática  5.1.1. Carga eléctrica y sus propiedades  5.1.2. Conductores e Aislantes  5.1.3. La ley de Coulomb  5.1.4. Campo eléctrico y líneas de campo  5.1.5. Potencial eléctrico y diferencia de potencial  5.1.6. Capacitores y Capacitancia  5.2. Electricidad Actual  5.2.1. Corriente eléctrica y su medición  5.2.2. La ley de Ohm  5.2.3. Resistencia y resistividad  5.2.4. Circuitos en Serie y en Paralelo  5.2.5. Energía y potencia eléctricas  5.2.6. Leyes de Kirchhoff  5.3. Magnetismo y Electromagnetismo  5.3.1. Campo magnético y líneas de campo  5.3.2. Efectos magnéticos de la corriente eléctrica  5.3.3. Inducción electromagnética  5.3.4. Leyes de Faraday de la inducción electromagnética  5.3.5. Transformadores y Aplicaciones  5.3.6. Corriente AC y DC
  6. Física Moderna  6.1. Física nuclear  6.1.1. Estructura del átomo  6.1.2. Modelo atómico de Bohr  6.1.3. Niveles de Energía del Electrón  6.1.4. Rayos X y aplicaciones  6.2. Radiactividad  6.2.1. Tipos de radiación  6.2.2. Vida media y desintegración radiactiva  6.2.3. Reacciones nucleares y aplicaciones  6.2.4. Fisión y Fusión  6.3. Física cuántica  6.3.1. Dualidad onda-partícula  6.3.2. Efecto fotoeléctrico  6.3.3. Cuantización de la energía  6.3.4. El principio de incertidumbre de Heisenberg
  7. Electrónica y Comunicación  7.1. Semiconductores  7.1.1. Conductores, aislantes y semiconductores  7.1.2. Diodos y sus aplicaciones  7.1.3. Transistores y Puertas Lógicas  7.1.4. LEDs y fotodiodos  7.2. Sistemas de Comunicación  7.2.1. Fundamentos de la comunicación  7.2.2. Señales analógicas y digitales  7.2.3. Comunicación inalámbrica y fibra óptica  7.2.4. Ondas de radio y modulación

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Dilatación térmica


La dilatación térmica es un concepto fundamental en la física que describe cómo las sustancias cambian en respuesta a los cambios de temperatura. Es una idea importante que nos ayuda a comprender el comportamiento de las sustancias en diferentes ambientes. En su esencia, la dilatación térmica describe la tendencia de una sustancia a cambiar de volumen en respuesta a cambios de temperatura.

¿Qué es la dilatación térmica?

Cuando la temperatura de una sustancia aumenta, las partículas que componen esa sustancia comienzan a vibrar más rápidamente. A medida que estas partículas vibran más, se mueven ligeramente más alejadas unas de otras. Este movimiento creciente causa que la sustancia se expanda o aumente de tamaño. Este fenómeno se conoce como dilatación térmica.

Por el contrario, cuando la temperatura de una sustancia disminuye, las partículas se mueven menos y se agrupan más estrechamente, causando que la sustancia se contraiga o reduzca de tamaño. La dilatación térmica puede ocurrir en sólidos, líquidos y gases, pero es más comúnmente observada en sólidos, que tienen formas y volúmenes fijos.

Entendiendo la dilatación térmica con ejemplos

Para entender mejor la dilatación térmica, consideremos un ejemplo simple que involucra una varilla metálica.

Cuando calientas una varilla metálica, las partículas de metal comienzan a vibrar más intensamente. A medida que las partículas vibran, empujan entre sí, haciendo que la varilla sea ligeramente más larga. Si enfrías la misma varilla metálica, las partículas vibran menos y se acercan más, causando que la varilla se contraiga y se vuelva más corta.

Aquí tienes un ejemplo básico:

Frío Caliente

La línea azul representa la varilla metálica fría, y la línea roja representa la varilla metálica caliente tras la expansión.

Tipos de dilatación térmica

Podemos clasificar la dilatación térmica en tres tipos principales:

  • Dilatación lineal

    • Se aplica a materiales que se expanden en una dimensión, como el alargamiento de una varilla metálica. Se mide como el cambio de longitud por grado de cambio de temperatura.

  • Dilatación de área

    • Esto ocurre en materiales que se expanden en dos dimensiones, como una placa metálica que se hace más grande en área cuando se calienta.

  • Dilatación volumétrica

    • Este tipo involucra materiales que se expanden en las tres dimensiones, como un globo que se infla cuando se calienta el aire dentro de él.

Fórmula de la dilatación lineal

El cambio de longitud debido a la dilatación térmica se puede calcular usando la siguiente fórmula:

    ∆L = α × L₀ × ∆T

Donde:

  • ΔL es el cambio de longitud
  • α es el coeficiente de dilatación lineal del material
  • L₀ es la longitud original
  • ΔT es el cambio de temperatura

Por ejemplo, considera una varilla de acero de 1 m de largo a 20°C. Si la temperatura se eleva a 50°C, y sabiendo que el coeficiente de dilatación lineal del acero es aproximadamente 11 x 10-6 /°C, el cambio de longitud se puede calcular de la siguiente manera:

    ΔL = 11 x 10-6 /°C × 1 metro × (50°C – 20°C)
    ΔL = 11 x 10-6 /°C × 1 m × 30°C
    ΔL ≈ 0.00033 m o 0.33 mm

Fórmula de la dilatación de área

El cambio en el área debido a la dilatación térmica se puede determinar usando lo siguiente:

    ΔA = β × A₀ × ΔT

Donde:

  • ΔA es el cambio de área
  • β es el coeficiente de dilatación de área
  • A₀ es el área inicial
  • ΔT es el cambio de temperatura

Para materiales isotrópicos (materiales cuyas propiedades son las mismas en todas las direcciones) el coeficiente de dilatación de área es aproximadamente igual a 2α.

Fórmula de la dilatación volumétrica

El cambio de volumen se da por la fórmula:

    ΔV = γ × V₀ × ΔT

Donde:

  • ΔV es el cambio de volumen
  • γ es el coeficiente de dilatación volumétrica
  • V₀ es el volumen original
  • ΔT es el cambio de temperatura

Para materiales isotrópicos, el coeficiente de dilatación volumétrica, γ, es aproximadamente 3α.

Implicaciones reales de la dilatación térmica

La dilatación térmica tiene muchos efectos prácticos en el mundo real. Ingenieros y constructores deben tener esto en cuenta al diseñar estructuras como puentes, ferrocarriles e incluso maquinaria simple. No hacerlo puede conducir a grietas o desalineaciones en edificios e infraestructura.

Por ejemplo, considera el caso de los ferrocarriles. Las vías están hechas de acero, que se expande con el calor. Si la expansión no se tiene en cuenta, esto puede causar que las vías se doblen o deformen, potencialmente llevando a descarrilamientos peligrosos. Para prevenir esto, los ingenieros dejan pequeños espacios entre secciones de vía; estos espacios permiten que las vías se expandan con seguridad sin causar daño.

Otro ejemplo: dilatación térmica de los líquidos

Mientras que los sólidos tienen una forma definida y solo pueden expandirse en direcciones específicas, los líquidos se expanden igualmente en todas las direcciones. Esto se debe a que los líquidos adoptan la forma de su contenedor. La dilatación térmica de los líquidos es una consideración importante en una variedad de aplicaciones, incluyendo termómetros, motores y sistemas de agua caliente.

Un ejemplo clásico de dilatación térmica es el termómetro de mercurio. Cuando el mercurio dentro del termómetro se calienta, se expande y asciende a través del tubo estrecho, proporcionando una medida visual de temperatura.

Frío Caliente

La barra roja inferior muestra el nivel de mercurio en una atmósfera fría, mientras que la barra roja superior muestra el nivel de mercurio después de calentarse.

Dilatación térmica en la vida diaria

La dilatación térmica afecta a muchos objetos y procesos que encontramos a diario:

  • Uniones de expansión en puentes evitan daños al permitir que las partes se expandan y contraigan con los cambios de temperatura.
  • Líneas eléctricas se instalan flojamente en temperaturas frías para permitir la dilatación térmica en el calor.
  • Tiras bimetálicas en termostatos se doblan y enderezan con los cambios de temperatura debido a las diferentes tasas de dilatación de los metales.

Conclusión

El concepto de dilatación térmica es importante para comprender cómo se comportan los materiales a diferentes temperaturas. Desde objetos simples y cotidianos hasta diseños industriales complejos, la dilatación térmica desempeña un papel crítico que puede afectar la seguridad, la eficiencia y la durabilidad. Al comprender este principio de la física, podemos diseñar mejor y adaptarnos a las restricciones ambientales que encontramos en una amplia gama de aplicaciones.


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