Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

Grado 11 → Física térmica → Calor y temperatura ↓


Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases


En física térmica, el concepto fundamental que exploramos es cómo cambian las sustancias cuando se les añade calor. Esto a menudo involucra no solo un cambio en su energía interna, sino también un cambio en sus dimensiones físicas. Este fenómeno se conoce como expansión térmica. A medida que aumenta la temperatura de un objeto, sus partículas se mueven más rápidamente y ocupan más espacio, causando que la sustancia se expanda. Esto se observa universalmente en sólidos, líquidos y gases. Cada estado de la materia reacciona de manera diferente a los cambios de temperatura y se expanden en diferentes proporciones.

Expansión térmica de sólidos

Los sólidos por naturaleza tienen una forma definida y un volumen definido debido a las fuerzas relativamente fuertes entre sus átomos o moléculas. Sin embargo, los sólidos también experimentan expansión térmica. Cuando se calientan, los átomos en un sólido vibran más rápidamente, aumentando la distancia entre ellos. Esta expansión suele ser lineal, volumétrica o relacionada con el área en naturaleza.

Expansión lineal

La expansión lineal se refiere al aumento en la longitud de un objeto sólido cuando se calienta. El cambio en longitud es proporcional a la longitud original y al cambio en temperatura. La fórmula para la expansión lineal se expresa como:

ΔL = α × L₀ × ΔT

Donde:

  • ΔL es el cambio en longitud,
  • α es el coeficiente de expansión lineal (específico para el material),
  • L₀ es la longitud original,
  • ΔT es el cambio en temperatura.

Por ejemplo, considere una barra de metal de 1 m de largo a una temperatura inicial de 20°C. Si el coeficiente de expansión lineal es 12 × 10-6 /°C, y la temperatura se incrementa a 100°C, la expansión en longitud se puede calcular como:

ΔL = 12 × 10-6 /°C × 1 m × (100°C - 20°C) = 0.00096 m

La barra se extiende a 0.96 mm.

Ejemplo visual

Imagínese esto Representa una barra sólida. Al calentarla, la barra puede expandirse, lo que indica un aumento en longitud.

Expansión térmica de líquidos

Los líquidos no tienen una forma definida, pero tienen un volumen definido. También se expanden al calentarse. Dado que los líquidos no tienen una forma definida, principalmente hablamos de expansión volumétrica. La fórmula para la expansión volumétrica de un líquido es:

ΔV = β × V₀ × ΔT

Donde:

  • ΔV es el cambio en volumen,
  • β es el coeficiente de expansión volumétrica (específico de un líquido),
  • V₀ es el volumen original,
  • ΔT es el cambio en temperatura.

Por ejemplo, si tiene un contenedor con 2 litros de agua a 25°C y el coeficiente de expansión volumétrica para el agua es aproximadamente 210 × 10-6 /°C. Cuando el agua se calienta a 75°C, el cambio de volumen se calcula como:

ΔV = 210 × 10-6 /°C × 2 L × (75°C - 25°C) = 0.021 L

El volumen aumenta en 21 ml.

Ejemplo visual

Imagine esto Representa un contenedor lleno de líquido. Después de calentarlo, puede expandirse, indicando un aumento en cantidad.

Expansión térmica de gases

Los gases son bastante diferentes de los sólidos y líquidos en términos de expansión. Se expanden mucho más que los sólidos y líquidos al calentarse. Esto se debe a que las fuerzas entre las partículas en un gas son extremadamente débiles en comparación con los otros dos estados de la materia. El comportamiento de los gases bajo condiciones térmicas a menudo se describe usando la ley de gas ideal y sus principios relacionados, como la ley de Charles, que establece que a presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura (medida en Kelvin).

Para describir la expansión volumétrica de gases a presión constante usamos:

V₁/T₁ = V₂/T₂

Donde:

  • V₁ y V₂ son los volúmenes inicial y final, respectivamente,
  • T₁ y T₂ son las temperaturas inicial y final en Kelvin, respectivamente.

Consideremos una muestra de gas en un globo cuyo volumen inicial es 1.5 litros a 300 K. Si la temperatura se incrementa a 400 K sin cambiar la presión, el nuevo volumen se puede calcular como:

V₂ = V₁ × (T₂/T₁) = 1.5 L × (400K / 300K) = 2.0 L

El volumen del gas aumenta a 2.0 litros.

Ejemplo visual

Imagine esto Representa un globo lleno de gas. A medida que se calienta, puede expandirse, lo que indica una cantidad mayor.

Implicaciones prácticas de la expansión térmica

Entender la expansión térmica es importante en la vida cotidiana y en muchas aplicaciones tecnológicas. Ingenieros y diseñadores deben tenerla en cuenta al construir cualquier cosa, desde puentes hasta termómetros, debido al impacto potencial de los cambios térmicos. Ejemplos incluyen:

  • Puentes y ferrocarriles: Se incorporan juntas de expansión en la construcción de puentes y rieles de ferrocarril para considerar la expansión y contracción del metal debido a los cambios de temperatura.
  • Termómetro: La mayoría de los termómetros de líquido funcionan sobre el principio de expansión volumétrica del líquido dentro del termómetro.
  • Tiras bimetálicas: Se utilizan en muchos dispositivos como termostatos. Consisten en dos metales diferentes unidos juntos, que se expanden a diferentes tasas para doblarse al calentarse. Esta flexión puede abrir o cerrar un circuito. Nota de visualización: Imagine dos tiras unidas, donde la tira roja (coeficiente de expansión más alto) se dobla más al calentarse, provocando que la tira se enrolle.

Casos especiales y consideraciones

La expansión térmica tiene algunos efectos peculiares, como cuando el agua se acerca a su punto de congelación. A diferencia de la mayoría de las sustancias, el agua se expande cuando se congela, por lo que el hielo flota en el agua. Esta expansión inusual es importante para la vida acuática en climas fríos, ya que mantiene el agua debajo de la superficie sin congelarse.

Con los gases, las desviaciones del comportamiento ideal ocurren a altas presiones y bajas temperaturas. Los gases reales no siempre obedecen la ley del gas ideal debido a interacciones entre las partículas de gas y el volumen que ocupan, lo cual se vuelve más importante en estas condiciones.

Además, algunos materiales tienen coeficientes de expansión negativos en ciertos intervalos de temperatura, lo que significa que se encogen al calentarse. Ingenieros y científicos deben ser conscientes de estas propiedades únicas para evitar fallas estructurales o mecánicas serias.

Aplicaciones e impacto más amplio

Los principios de expansión térmica se extienden más allá de las aplicaciones terrestres. Son importantes en tecnologías espaciales como satélites y la Estación Espacial Internacional, que experimentan fluctuaciones de temperatura significativas. Los materiales utilizados en estos entornos deben seleccionarse cuidadosamente para resistir tales condiciones sin degradación o falla.

En la industria electrónica, la expansión térmica es una consideración importante debido a la miniaturización de componentes. La expansión y contracción de materiales electrónicos pueden crear estrés y causar fallas en circuitos y microchips, lo que requiere un diseño y selección de materiales precisos.

Conclusión

La expansión térmica es un fenómeno fascinante y complejo que tiene implicaciones amplias en una variedad de campos. Desde usos cotidianos como termómetros de cocina hasta componentes esenciales de infraestructura y aplicaciones científicas avanzadas, es vital comprender cómo reaccionan los diferentes estados de la materia a los cambios de temperatura. Este conocimiento no solo nos ayuda a construir sistemas más seguros y eficientes, sino que también está relacionado con nuestra profunda curiosidad científica sobre el mundo natural.


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