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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Motores térmicos y refrigeración


En nuestra vida cotidiana, estamos rodeados de máquinas y dispositivos que hacen que nuestras rutinas diarias sean más fáciles y cómodas. Muchos de estos dispositivos producen calor o usan calor, y es esencial entender cómo funcionan. Aquí es donde entra en juego el concepto de motores térmicos y refrigeración en el estudio de las propiedades térmicas de la materia. Vamos a sumergirnos en estos fascinantes temas, entender sus principios y aprender cómo nos ayudan en nuestra vida diaria.

¿Qué es un motor térmico?

Un motor térmico es una máquina que convierte la energía térmica en energía mecánica. El proceso implica absorber el calor de una fuente a alta temperatura, convertir parte de ella en trabajo mecánico y luego liberar el calor restante hacia un sumidero a menor temperatura.

Los componentes esenciales de un motor térmico incluyen:

  • Fuente de calor: Es el depósito de alta temperatura que proporciona el calor. Esto puede ser cualquier cosa como carbón, gasolina o diesel quemándose en el motor.
  • Sustancia de trabajo: Es la sustancia que absorbe calor de la fuente y realiza trabajo. Por ejemplo, vapor, aire o cualquier fluido.
  • Sumidero de calor: Es un depósito de baja temperatura del cual se elimina el calor rechazado. El entorno que rodea a menudo cumple este papel.
fuente de calor -----> [ motor térmico ] -----> trabajo realizado
         ,
         VV
      entrada de calor salida de calor

Ejemplos de motores térmicos

1. Motor de vapor

El motor de vapor es una de las primeras formas de motor térmico. Hierve agua para crear vapor, que se utiliza para mover un pistón o turbina, produciendo así trabajo mecánico.

Proceso:
1. El agua se calienta en una caldera para producir vapor.
2. El vapor a alta presión se expande y mueve un pistón o gira una turbina.
3. El vapor pierde su energía al enfriarse y se condensa en agua para reutilizarse.

2. Motor de combustión interna

Los motores de combustión interna se encuentran comúnmente en automóviles y motocicletas. El combustible (como gasolina o diésel) se quema dentro de un cilindro, creando gases a alta presión que mueven un pistón. Este movimiento se convierte en movimiento rotacional, que impulsa el vehículo.

Proceso:
1. La mezcla de aire y combustible se comprime en un cilindro.
2. Una chispa enciende el combustible, provocando una explosión.
3. Los gases en expansión empujan el pistón hacia abajo, realizando así trabajo.
4. Los gases de escape son liberados, y el ciclo se repite.

Eficiencia térmica de un motor térmico

La eficiencia térmica de un motor térmico es una medida de qué tan efectivamente convierte el calor en trabajo. Se define como la proporción del trabajo realizado por el motor con respecto al calor absorbido de la fuente.

Eficiencia (η) = (Trabajo Realizado) / (Calor Absorbido de la Fuente)

En la práctica, cada motor térmico opera entre dos temperaturas: la temperatura de la fuente de calor (T H ) y la temperatura del sumidero de calor (T C ). La eficiencia teórica máxima se da por:

η = 1 - (T C / T H )

Donde TH y TC deben estar en Kelvin.

¿Qué es la refrigeración?

La refrigeración es el proceso de eliminar calor de un depósito a baja temperatura y transferirlo a un depósito a mayor temperatura. El objetivo principal de la refrigeración es mantener un ambiente frío para conservar alimentos y otros artículos perecederos.

Los componentes fundamentales del ciclo de refrigeración incluyen:

  • Compresor: Comprime el gas refrigerante, aumentando su presión y temperatura.
  • Condensador: Facilita el intercambio de calor con los alrededores para enfriar el gas y condensarlo en un líquido.
  • Válvula de expansión: Libera la presión del refrigerante líquido, permitiendo un enfriamiento rápido y vaporización parcial.
  • Evaporador: Absorbe el calor del compartimento del refrigerador y convierte el líquido a baja presión en gas.
[ Compresor ] ---> [ Condensador ] ---> [ Válvula de Expansión ] ---> [ Evaporador ] 
                                        , 
                                        , 
                                        ,

Ejemplos de refrigeración

1. Refrigerador

Los refrigeradores y congeladores son electrodomésticos comunes que utilizan el proceso de refrigeración para mantener los alimentos frescos y fríos. Dentro del refrigerador, el refrigerante absorbe calor de los artículos almacenados, manteniendo baja la temperatura.

2. Aire acondicionado

Los aires acondicionados enfrían el aire en una habitación absorbiendo el calor del interior y liberándolo al exterior. Los refrigerantes pasan por un ciclo de compresión y evaporación para lograr este efecto de enfriamiento.

Coeficiente de rendimiento (COP)

A diferencia de los motores térmicos, que se juzgan por su eficiencia térmica, los sistemas de refrigeración se evalúan por su coeficiente de rendimiento (COP). El COP es la proporción del calor extraído del depósito frío respecto al trabajo de entrada requerido.

COP = (Calor Eliminado del Espacio Frío) / (Trabajo Realizado por el Sistema)

Comprender conceptos con ejemplos visuales simples

Visualicemos los conceptos discutidos con un ejemplo simple para comprender mejor el flujo de energía y trabajo en motores térmicos y sistemas de refrigeración.

fuente de calor motor térmico Trabajo realizado salida de calor sumidero de calor

Conclusión

En resumen, la comprensión de los motores térmicos y la refrigeración proporciona una visión sobre cómo convertimos la energía térmica en trabajo útil y gestionamos el control de temperatura para diversas aplicaciones. Los motores térmicos nos permiten utilizar la energía térmica para realizar trabajo mecánico, mientras que la refrigeración nos permite controlar el entorno transfiriendo calor. Estos conceptos son fundamentales en muchos de los dispositivos y máquinas de los que dependemos, resaltando la importancia de la dinámica térmica tanto en el avance tecnológico como en la comodidad cotidiana.

Al entender los principios básicos de estos sistemas, enriquecemos nuestro conocimiento sobre cómo funcionan los sistemas de energía y contribuimos al desarrollo y promoción de soluciones energéticas eficientes en el futuro.


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Motores térmicos y refrigeración

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