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

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Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones


En el mundo de la física térmica, comprender el comportamiento de los gases es una parte importante para entender el mundo físico que nos rodea. Uno de los conceptos fundamentales utilizados para describir los gases es la ecuación del gas ideal. Sin embargo, los gases reales no siempre se adhieren estrictamente a este comportamiento ideal, lo que lleva a desviaciones. En este resumen detallado, exploraremos la ecuación del gas ideal, sus suposiciones y la naturaleza de las desviaciones que ocurren en los gases reales.

Ecuación de Gas Ideal

La ecuación de gas ideal es la ecuación de estado para un gas hipotético conocido como el "gas ideal". Se da como:

PV = nRT

Aquí, P representa la presión, V es el volumen, n representa el número de moles, R es la constante de gas universal y T representa la temperatura en Kelvin.

Comprendiendo cada componente

  • Presión (P): La fuerza ejercida por las partículas de gas cuando chocan con las paredes de un recipiente. Se mide en pascales (Pa) o atmósferas (atm).
  • Volumen (V): La cantidad de espacio ocupada por un gas. Se mide en litros (L) o metros cúbicos (m³).
  • Número de moles (n): La cantidad de un gas, medida en moles.
  • Constante de gas universal (R): Un valor constante que hace que la ecuación sea válida. Su valor es aproximadamente 8.314 J/(mol·K).
  • Temperatura (T): Una medida de la energía cinética promedio de las partículas de gas. Se mide en Kelvin (K).

Suposiciones básicas de los gases ideales

Para que un gas se considere ideal, debe satisfacer varias suposiciones:

  1. Partículas puntuales: Las moléculas de gas son partículas puntuales que no tienen volumen.
  2. Sin fuerzas intermoleculares: No hay fuerzas atractivas ni repulsivas entre las moléculas.
  3. Colisiones elásticas: Las colisiones entre las moléculas de gas y entre las moléculas y las paredes del recipiente son perfectamente elásticas.
  4. Movimiento aleatorio: Las moléculas de gas están en un movimiento constante y aleatorio.
  5. Gran número de moléculas: El número de moléculas es lo suficientemente grande como para que los promedios estadísticos se puedan calcular efectivamente.

Explicaciones Visuales

Considere una caja llena de partículas de gas. Según la ley de gas ideal, estas partículas están en movimiento constante y colisionan elásticamente. No ejercen fuerzas entre sí salvo en estas colisiones. Podemos visualizar esto como sigue:

En este ejemplo, los círculos representan las moléculas de gas, y las líneas discontinuas indican la posible dirección del movimiento después de una colisión. El comportamiento ideal asume que no ocupan espacio y no se atraen ni se repelen.

Desviaciones de la ley de gases ideales

Si bien la ley de gases ideales proporciona una manera simple de entender el comportamiento de un gas, los gases reales presentan desviaciones. Estas desviaciones ocurren porque los gases reales tienen fuerzas intermoleculares y volumen molecular finito, factores que elude la ley de gases ideales.

Entendiendo la divergencia con ejemplos

Exploremos algunas desviaciones típicas y sus causas:

1. Fuerzas intermoleculares

De hecho, las moléculas de gas se atraen o se repelen. Estas fuerzas pueden afectar significativamente el comportamiento de un gas. Por ejemplo:

  • Atracción: La atracción entre moléculas reduce la presión ejercida sobre las paredes del recipiente, lo que lleva a una presión menor a la predicha por la ley de gases ideales. Esto ocurre porque las partículas son atraídas hacia adentro, reduciendo su colisión con las paredes del recipiente.
  • Repulsión: Las fuertes fuerzas de repulsión pueden aumentar temporalmente la presión ya que las partículas se empujan entre sí y contra las paredes. Sin embargo, a medida que los gases se comprimen, estas fuerzas se vuelven lo suficientemente significativas como para causar divergencia.

2. Volumen molecular finito

En el modelo de gas ideal, las partículas no tienen volumen. Sin embargo, las moléculas de gas reales ocupan espacio, lo que afecta el volumen disponible para el movimiento. A medida que la presión aumenta, el volumen confinado de las moléculas de gas se convierte en un factor importante en la desviación.

3. Alta presión y baja temperatura

Los gases reales se comportan más idealmente a baja presión y alta temperatura. A alta presión, el volumen de las moléculas se convierte en una parte significativa del volumen total, causando divergencia. De manera similar, a bajas temperaturas, las fuerzas intermoleculares se vuelven más pronunciadas.

Representación matemática de la desviación

Las desviaciones de la ley de gases ideales a menudo se miden utilizando modelos alternativos, como la ecuación de Van der Waals. La ecuación de Van der Waals modifica la ley de gases ideales para tener en cuenta el tamaño molecular y las fuerzas intermoleculares:

(P + a(n/V)²)(V - nb) = nRT

Dónde:

  • a es una medida de la atracción entre las partículas.
  • b representa el volumen finito ocupado por las partículas de gas.

La ecuación de Van der Waals ajusta esencialmente los términos de presión y volumen en la ley de gases ideales para reflejar mejor el comportamiento de los gases reales.

Cálculo de ejemplo

Considere 1 mol de gas con un volumen de 0.02 metros cúbicos y una temperatura de 300 K, con constantes de Van der Waals a = 0.364 y b = 0.0427. Para encontrar la presión usando la ecuación de Van der Waals:

  1. Calcular el término de presión ajustado: P se reemplaza por (P + a(n/V)²) en la ley de gases ideales.
  2. Calcular el término de volumen ajustado: V se reemplaza por (V - nb).
  3. Insertar los valores en la ecuación de Van der Waals y resolver para P

Representación Gráfica

Las desviaciones de la ecuación de gas ideal pueden verse comparando las curvas de presión-volumen de un gas ideal frente a un gas real. Los gases ideales siguen un camino hiperbólico, mientras que los gases reales se desvían, especialmente a altas presiones y bajas temperaturas.

Volumen (V) Presión(P) Gas ideal Gas real

En este ejemplo, la curva azul muestra el comportamiento de un gas ideal y la curva roja muestra cómo los gases reales se desvían, particularmente cuando las condiciones se desvían de las ideales.

Conclusión

Entender la ecuación del gas ideal y sus limitaciones es importante para estudiar los gases tanto en escenarios teóricos como prácticos. Si bien la ley de gas ideal proporciona una base, reconocer las desviaciones de ella nos permite profundizar en las complejidades del comportamiento de los gases reales. La ecuación de Van der Waals proporciona un modelo más sofisticado, acomodando factores como las fuerzas intermoleculares y el volumen molecular para comprender mejor los fenómenos del mundo real.


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