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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Leyes de la Termodinámica


Las leyes de la termodinámica son algunos de los principios más importantes en física, especialmente en el campo de la física térmica. Estas leyes forman la base para entender cómo la energía térmica se transfiere y se transforma en varios sistemas. En esta explicación detallada, exploraremos cada una de estas leyes, tratando de simplificar sus conceptos para que sean más fáciles de entender, así como proporcionar una gran cantidad de ejemplos para reforzar el aprendizaje.

La ley cero de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica es fundamental porque establece el concepto de temperatura como una propiedad medible y comparable. En términos simples, la ley cero establece que si dos sistemas (A y B) están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema (C), entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí. Esto significa que comparten la misma temperatura.

A C B

En la ilustración anterior, los sistemas A, B y C se muestran como círculos. Si A está en equilibrio térmico con C, y B también está en equilibrio térmico con C, entonces la ley cero nos dice que A y B deben estar en equilibrio térmico entre sí, lo que implica que tienen la misma temperatura.

La primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica es esencialmente una declaración de la conservación de la energía. Afirma que la energía no puede ser creada ni destruida, solo convertida de una forma a otra. En el contexto de la física térmica, la primera ley se expresa de la siguiente manera:

ΔU = Q - W

Aquí, ΔU representa el cambio en la energía interna de un sistema, Q es el calor añadido al sistema, y W representa el trabajo realizado por el sistema.

Por ejemplo, considere un gas en un cilindro que tiene un pistón móvil. Si se añade calor al gas, puede realizar trabajo sobre el pistón, ocasionando que se empuje hacia afuera. Los cambios de energía pueden calcularse utilizando la primera ley de la termodinámica. Suponga que se añaden 100 julios de calor, y el sistema realiza 70 julios de trabajo. El cambio en la energía interna sería:

ΔU = 100 J - 70 J = 30 J

Esto nos dice que la energía interna del gas aumentó en 30 julios.

La segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica introduce el concepto de entropía, que es una medida del desorden o aleatoriedad en un sistema. Esta ley establece que en cualquier transferencia o transformación de energía, la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo. Esencialmente, los procesos ocurren en una cierta dirección: del orden al desorden.

Imagine que tiene un mazo de cartas perfectamente ordenado, y comienza a barajarlas. Con cada barajada, las cartas se vuelven más desordenadas, lo que ilustra el concepto de aumento de la entropía. En termodinámica, este principio implica que los procesos naturales favorecen direcciones que aumentan la entropía general de un sistema y su entorno.

fuente de calor disipador de calor Pregunta: transferencia de calor

En el diagrama anterior, el calor fluye naturalmente de la fuente de calor al disipador de calor, pero nunca en la dirección opuesta a menos que se realice trabajo. Esto muestra la tendencia de aumento de la entropía.

La tercera ley de la termodinámica

La tercera ley de la termodinámica establece que a medida que la temperatura de un sistema se aproxima al cero absoluto, la entropía se aproxima a un mínimo constante. Esto muestra que es imposible alcanzar el cero absoluto a través de un número finito de procesos.

Para ver esto, considere enfriar una sustancia hasta casi el cero absoluto. A medida que se enfría, el movimiento molecular se ralentiza y el sistema se vuelve más ordenado. Sin embargo, cada intento de eliminar el exceso de calor se vuelve más y más difícil, requiriendo más y más entrada de energía con poco efecto, lo que significa que el cambio de entropía se vuelve insignificante, acercándose a cero pero nunca alcanzándolo.

Implicaciones prácticas de las leyes de la termodinámica

Cada una de estas reglas tiene implicaciones significativas en una variedad de campos, desde la ingeniería hasta la ciencia ambiental. Por ejemplo, los ingenieros aplican estos principios al diseñar motores, refrigeradores y bombas de calor, asegurando un uso y transformación óptimos de la energía.

Ejemplo: Diseñando un motor térmico

Un motor térmico es un sistema que convierte calor en trabajo. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, ningún motor térmico puede ser 100% eficiente porque siempre se perderá algo de energía al aumentar la entropía. Para una comprensión básica, consideremos un sencillo motor de Carnot, que es un modelo idealizado.

Eficiencia (η) = 1 - (T_frío / T_caliente)

donde T_frío es la temperatura absoluta del reservorio frío, y T_caliente es la temperatura absoluta del reservorio caliente.

Si la temperatura es T_caliente = 500 K y T_frío = 300 K, entonces la eficiencia se calcula como:

η = 1 - (300 / 500) = 0.4 o 40%

El motor de Carnot representa la máxima eficiencia posible, y muestra que los motores reales siempre tendrán menor eficiencia debido a pérdidas prácticas.

Ejemplo: Refrigeración y aire acondicionado

Los refrigeradores y acondicionadores de aire son aplicaciones prácticas arraigadas en estos principios termodinámicos. Funcionan en ciclos que extraen calor del interior frío y lo envían al exterior caliente, lo que se alinea con la segunda ley que manda que se requiere trabajo para hacer que el calor fluya en dirección opuesta a su camino natural.

Conclusión

Las leyes de la termodinámica juegan un papel vital en nuestra comprensión de las interacciones energéticas y nos ayudan a usar estos principios para operaciones prácticas en la vida diaria. En resumen, cada ley proporciona una visión única: la ley cero permite la medición de temperatura, la primera ley asegura la conservación de energía, la segunda ley introduce la entropía y establece lineamientos, y la tercera ley establece límites a medida que los sistemas se acercan al cero absoluto.

Estudiar estas leyes de la termodinámica enriquece profundamente nuestra comprensión del mundo físico y nos brinda el conocimiento para innovar en el futuro.


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