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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Teoría cinética de los gases


La teoría cinética de los gases es una teoría fundamental en física que describe cómo se comportan los gases a nivel molecular. Describe cómo las propiedades microscópicas de los átomos o moléculas de gas se relacionan con aspectos macroscópicos observables, como presión, volumen y temperatura. Esta teoría juega un papel importante en la comprensión del calor y la temperatura en el campo de la física térmica.

Supuestos básicos de la teoría cinética

La teoría cinética de los gases se basa en una serie de supuestos sobre las partículas que componen el gas:

  1. Gran número de partículas: Un gas contiene un gran número de partículas muy pequeñas, ya sean moléculas o átomos, que están en movimiento constante y aleatorio.
  2. Volumen despreciable: El volumen real de las moléculas de gas es despreciable en comparación con el volumen total del gas. La mayor parte del gas es espacio vacío.
  3. Colisión perfectamente elástica: Cuando las moléculas de gas colisionan entre sí o con las paredes del recipiente, la colisión es perfectamente elástica, lo que significa que no hay una pérdida total en la energía cinética del sistema.
  4. Movimiento aleatorio continuo: Las partículas de gas siempre se mueven aleatoriamente a diferentes velocidades en todas las direcciones.
  5. Sin fuerzas intermoleculares: Aparte de las colisiones, las partículas de gas no ejercen fuerzas entre sí (sin atracción ni repulsión).

Visualización de las partículas de gas

Para comprender mejor este concepto, imaginemos el movimiento de las partículas de gas dentro de un recipiente:

Cada círculo representa una partícula de gas moviéndose al azar dentro del recipiente. Observe cómo se mueven en líneas rectas hasta que colisionan entre sí o con las paredes del recipiente, cambiando de dirección después de la colisión.

Extracción de la presión a partir de la teoría cinética

Según la teoría cinética, la presión ejercida por un gas en un recipiente se debe a la colisión de sus moléculas con las paredes del recipiente. Derivemos la expresión para la presión:

Considere una sola molécula de gas de masa m que se mueve con velocidad v_x en un recipiente de volumen V. El cambio de momento cuando golpea una pared en la dirección x se da por:

Δp = 2mv_x

Si n es el número de moléculas, entonces la fuerza total debido a todas las moléculas será:

F = n * m * v_x² / V

Así, la presión P puede definirse en términos de la fuerza y el área A :

P = F / A

La expresión para la presión de la teoría cinética se da como:

P = (1/3) * (n * m * v²) / V

Relación entre temperatura y velocidad molecular

La temperatura está directamente relacionada con la energía cinética promedio de las moléculas de gas. Está representada por la siguiente ecuación:

(3/2) * k * T = (1/2) * m * v²

donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta, y v² es la velocidad cuadrática media de las moléculas de gas.

Cálculo de ejemplo

Supongamos que un cilindro de gas contiene 1 mol de gas ideal a una temperatura de 300 K. Calcule la energía cinética promedio de la molécula de gas.

Dado: k (Constante de Boltzmann) = 1.38 x 10^-23 J/K
T (Temperatura) = 300 K
Energía Cinética Promedio, KE = (3/2) kT = (3/2) * 1.38 x 10^-23 * 300 = 6.21 x 10^-21 Joules

Camino libre medio

El camino libre medio es un concepto importante en la teoría cinética que representa la distancia promedio recorrida por una molécula entre colisiones sucesivas. Está representado por λ y se da como:

λ = k * T / (√2 * π * d² * P)

donde d es el diámetro de la molécula de gas, y P es la presión.

Movilidad de las partículas de gas

En el diagrama, las líneas azules representan las trayectorias aleatorias tomadas por las moléculas de gas a medida que se mueven a través del recipiente. Cada cambio de dirección representa una colisión con otra molécula o con la pared del recipiente.

Conclusión

La teoría cinética de los gases proporciona una visión matizada del comportamiento de los gases al tener en cuenta las propiedades microscópicas de las partículas de gas. Entender la presión, la temperatura y el volumen en términos de la actividad molecular nos permite predecir y explicar las propiedades de los gases bajo diversas condiciones. Esta comprensión es fundamental para cualquier exploración adicional en la física térmica y sus aplicaciones prácticas, como la termodinámica y la mecánica estadística.


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