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 ↓


Sistema de transferencia de calor


La transferencia de calor es un concepto fundamental en la física térmica. Se refiere al movimiento de energía térmica de un lugar a otro. El calor siempre se mueve de un lugar más caliente a un lugar más frío. Hay tres formas principales de transferir calor: conducción, convección y radiación. Cada mecanismo tiene sus propias características y escenarios únicos donde es más efectivo. Comprender estos mecanismos nos ayuda a explicar una amplia gama de fenómenos cotidianos y a diseñar sistemas para un uso eficiente de la energía.

Conductividad

La conducción es la transferencia de calor a través de una sustancia en la que las partículas de la sustancia se mueven a través de ella sin moverse de su posición. En su lugar, la energía se transfiere por la interacción de las partículas dentro de la sustancia. Este proceso ocurre principalmente en sólidos porque las partículas en sólidos están empaquetadas muy densamente. Los metales son excelentes conductores de calor debido al movimiento libre de electrones que ayuda a transferir energía rápidamente en el metal.

Ejemplo de conducción:

Considera una cuchara colocada en una taza de café caliente. La parte de la cuchara dentro del café se calienta primero. Luego el calor viaja a través de la cuchara hasta el otro extremo que estás sosteniendo, aunque la cuchara en sí no se mueva.

Representación visual:

fuente de calor Cuchara de metal

El calor se transmite por conducción desde el extremo caliente, donde la cuchara se sumerge en el café, hasta el mango.

Convección

La convección es la transferencia de calor de un lugar a otro por el movimiento de partículas de fluido (líquido o gas). Las partículas del fluido se mueven transportando consigo energía térmica. La convección es causada por diferencias en densidad y temperatura. Cuando una parte de un fluido se calienta, se vuelve menos denso y sube. El fluido más frío y denso se hunde y toma su lugar, creando una corriente de convección.

Ejemplo de convección:

Imagina agua hirviendo en una olla. A medida que el agua en el fondo de la olla se calienta, sube a la parte superior y el agua más fría se hunde para ocupar su lugar. Este movimiento continúa en un ciclo.

Representación visual:

olla de agua fuente de calor

En este escenario, el movimiento del agua representa corrientes de convección que ayudan a distribuir el calor por toda la olla.

Radiación

La radiación es la transferencia de energía térmica a través de ondas electromagnéticas. Puede ocurrir incluso en el vacío ya que no requiere un medio para viajar. Todos los objetos emiten radiación térmica y la tasa de transferencia de calor depende de la temperatura del objeto y sus características superficiales.

Ejemplo de radiación:

Un ejemplo de radiación es el calor que proviene del sol. El calor del sol viaja a través del espacio vacío para llegar a la Tierra.

Representación visual:

Sol Tierra

Este ejemplo muestra cómo la energía del Sol nos llega a través de la radiación.

Factores que afectan la transferencia de calor

Varios factores afectan la velocidad a la que se transfiere el calor entre sistemas o dentro de un sistema:

  • Diferencia de temperatura: Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre dos objetos, más rápida será la transferencia de calor.
  • Materiales: Diferentes materiales conducen el calor mejor que otros. Los conductores, como los metales, transfieren el calor rápidamente, mientras que los aislantes, como la madera, lo hacen lentamente.
  • Área superficial: Cuanto mayor sea el área de contacto, más calor puede transferirse.
  • Distancia/Espesor: La tasa de transferencia de calor generalmente disminuye a medida que aumenta la distancia o el espesor del material.

Representación matemática de la transferencia de calor

La transferencia de calor puede describirse usando ecuaciones matemáticas. Veamos una fórmula básica para calcular la tasa de transferencia de calor.

Fórmula de conducción:

Q = k * A * (T1 - T2) / d

Donde:

  • Q es la transferencia de calor (en vatios, W) por unidad de tiempo.
  • k es la conductividad térmica del material (en vatios por metro kelvin, W/mK).
  • A es el área a través de la cual se transfiere el calor (en metros cuadrados, m²).
  • T1 y T2 son las temperaturas de las dos superficies (en Kelvin, K).
  • d es el grosor del material (en metros).

Fórmula de convección:

Q = h * A * (T_superficie - T_fluido)

Donde:

  • Q es la transferencia de calor (en vatios, W) por unidad de tiempo.
  • h es el coeficiente de transferencia de calor por convección (en vatios por metro cuadrado Kelvin, W/m²K).
  • A es el área de superficie a través de la cual se transfiere el calor (en metros cuadrados, m²).
  • T_superficie es la temperatura de la superficie (en Kelvin, K).
  • T_fluido es la temperatura del fluido (en Kelvin, K).

Fórmula de radiación:

Q = ε * σ * A * (T^4)

Donde:

  • Q es la transferencia de calor (en vatios, W) por unidad de tiempo.
  • ε es la emisividad del material (un valor entre 0 y 1).
  • σ es la constante de Stefan-Boltzmann (5.67 x 10^-8 W/m²K⁴).
  • A es el área de la superficie emisora (en metros cuadrados, m²).
  • T es la temperatura absoluta de la superficie (en Kelvin, K).

Aplicaciones de sistemas de transferencia de calor

Comprender los mecanismos de transferencia de calor nos permite diseñar sistemas eficientes, como intercambiadores de calor, sistemas de enfriamiento, contenedores aislados, etc.

Ejemplo práctico:

  • Cocina: Al usar una estufa, el calor se transfiere de la llama o elemento eléctrico a la olla o sartén mediante conducción.
  • Refrigeradores: Usan convección para distribuir el aire frío por todo el compartimento, manteniendo los alimentos frescos por más tiempo.
  • Radiadores: Se basan en la convección para circular el aire caliente por toda la habitación y mantener un ambiente cómodo.
  • Paneles solares: Capturan la energía del sol mediante radiación y la convierten en electricidad o para calentar agua.

Conclusión

La transferencia de calor es una parte esencial para entender cómo se mueve la energía en nuestro mundo. Al estudiar la conducción, la convección y la radiación, aprendemos cómo se transfiere el calor en diferentes situaciones. Este conocimiento nos ayuda en aplicaciones que van desde diseñar mejores materiales aislantes hasta crear tecnologías más eficientes en el uso de energía. Vemos los principios de la transferencia de calor en funcionamiento a nuestro alrededor, desde métodos de cocción hasta sistemas climáticos, demostrando el papel extendido e indispensable de la física térmica en la vida cotidiana.


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