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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Primera Ley y Energía Interna


En física, la termodinámica es una rama de la ciencia que trata con el calor, el trabajo y las formas de energía. La primera ley de la termodinámica y el concepto de energía interna son temas fundamentales en este campo. Para los estudiantes que aprenden sobre estos conceptos por primera vez, es importante entenderlos de manera simple y directa.

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica, también llamada la ley de conservación de la energía, establece que la energía no puede ser creada ni destruida, solo puede ser convertida de una forma a otra. Este principio es fundamental porque establece que la energía total en un sistema aislado permanece constante.

ΔU = Q - W

En esta fórmula, ΔU representa el cambio en la energía interna del sistema, Q es el calor añadido al sistema, y W es el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno. Desglosemos cada uno de estos:

  • ΔU (cambio en la energía interna): Es el cambio en la energía del sistema debido al calor y al trabajo.
  • Q (calor): Esta es la energía transferida al sistema. Si se añade calor, se considera positivo. Si se extrae calor, se considera negativo.
  • W (Trabajo): Esta es la energía utilizada por el sistema para realizar trabajo en su entorno. Si el sistema realiza trabajo en su entorno, se considera positivo. Si el trabajo se realiza sobre el sistema, se considera negativo.

La primera ley enfatiza la conservación de la energía, y establece que la energía aportada a un sistema siempre será igual a la energía liberada.

Entendiendo la energía interna

La energía interna se refiere a la energía total presente en un sistema. Incluye todas las energías microscópicas, tales como las energías cinética y potencial de las moléculas en una sustancia. La energía interna puede ser cambiada por transferencia de calor o por el trabajo realizado sobre o por el sistema.

La energía interna puede ser vista a través de tres escenarios diferentes:

  • Calentamiento de un gas: Cuando un gas se calienta, su energía interna aumenta porque la energía cinética de las moléculas aumenta. Esto significa que las moléculas se están moviendo más rápido.
  • Compresión de un gas: Cuando un gas se comprime, se realiza trabajo sobre el gas, lo que aumenta su energía interna. Las moléculas se presionan más cerca una de la otra, lo que aumenta su energía potencial.
  • Expansión de gas: Cuando un gas se expande, realiza trabajo sobre el entorno. Esto requiere energía, lo que generalmente reduce la energía interna y da como resultado una desaceleración del movimiento de las moléculas.

Primera ley y ejemplos de energía interna

Ejemplo 1: Calentamiento de agua en un recipiente

Suponga que el agua se está calentando en un recipiente sobre la estufa. El calor de la estufa se transfiere al agua, elevando su temperatura. El calor añadido es Q Si se permite que el agua se expanda mientras se calienta, puede realizar trabajo en el aire sobre ella, representado por W

En este escenario, según la primera regla:

ΔU = Q - W

El aumento en la energía interna del agua será igual al calor añadido menos el trabajo realizado para su expansión.

Ejemplo 2: Compresión de aire en una bomba de bicicleta

Considere utilizar una bomba de bicicleta para introducir aire en un neumático. Cuando empuja hacia abajo la bomba, está realizando trabajo sobre el aire interior, representado por W Este trabajo aumenta la energía interna del aire, causando que se caliente. No se añade calor Q desde el exterior, por lo que:

ΔU = 0 - (-W) = W

Aquí, el aumento en la energía interna es igual al trabajo realizado sobre el gas, ya que no hay transferencia de calor hacia adentro ni hacia afuera.

Ejemplo 3: Enfriamiento del motor

En un motor, la energía interna puede disminuir cuando pierde calor Q hacia su entorno. Por ejemplo, un motor de automóvil pierde calor mientras está en funcionamiento, y el trabajo que realiza puede ser en forma de movimiento físico W En este caso, la primera ley se puede expresar como:

ΔU = Q - W

El cambio en la energía interna es la energía obtenida al restar el trabajo realizado por el motor de la energía perdida como calor emitido.

Representación visual con diagramas simples

Usemos algunos diagramas simples para entender estos conceptos:

Para entender cómo fluye la energía dentro y fuera de un sistema, considere este diagrama simplificado de un gas dentro de un pistón:

Gas Calor adentro (Q) Trabajo fuera (W)

Aquí, el calor Q entra al sistema (pistón) mientras el gas realiza trabajo W, provocando que el pistón se mueva hacia arriba. El límite del sistema está marcado por el rectángulo gris.

Conclusión

La primera ley de la termodinámica es una piedra angular para entender cómo se gestiona la energía en un sistema físico. Subyace a la idea de conservación, indicando que las formas de energía pueden cambiar, pero no pueden simplemente desaparecer o ser creadas de la nada.

En un sentido más amplio, esta ley se aplica no solo a los ejemplos de gases y motores, sino a todos los sistemas donde se transfiere energía. Al estudiar la primera ley junto con el concepto de energía interna, los estudiantes pueden entender mejor los conceptos fundamentales que son importantes en física e ingeniería.


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Primera Ley y Energía Interna

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