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


La física térmica es una rama importante de la física que se ocupa del estudio del calor, la temperatura y la conversión de energía en diferentes formas. Explora cómo se transfiere la energía térmica entre diferentes sistemas y cómo cambia el estado de la materia como resultado. Este campo de estudio juega un papel vital en la comprensión de cómo se comportan desde pequeñas partículas hasta grandes sistemas bajo la influencia de la temperatura.

Calor y temperatura: entendiendo lo básico

Primero, es importante distinguir entre calor y temperatura, que a menudo se usan indistintamente pero tienen significados diferentes en física. El calor es una forma de transferencia de energía entre sistemas u objetos con diferentes temperaturas. Es importante recordar que el calor no es una sustancia; es un proceso de transferencia de energía.

La temperatura, por otro lado, es una medida de la energía cinética promedio de las partículas en una sustancia. Esto determina la dirección de la transferencia de calor. Por ejemplo, cuando tocas una taza caliente, el calor fluye de la taza a tu mano porque la taza tiene una temperatura más alta. Recuerda que la temperatura se mide en unidades como Celsius (°C), Fahrenheit (°F) y Kelvin (K).

Elemento caliente Elemento frío Flujo de calor →

Sistemas y entornos termodinámicos

En la física térmica, el sistema se refiere a la parte del universo que se está estudiando, mientras que los alrededores son todo lo que está fuera del sistema. Los sistemas pueden ser de tres tipos:

  • Sistema abierto: puede intercambiar energía y masa con su entorno exterior.
  • Sistema cerrado: puede intercambiar energía, pero no masa, con sus alrededores.
  • Sistema aislado: No puede intercambiar energía ni masa con sus alrededores; está completamente aislado.

Comprender cómo los sistemas interactúan con sus alrededores nos ayuda a entender cómo se transfiere y transforma la energía en varios procesos.

Leyes de la termodinámica

La física térmica está fuertemente guiada por las leyes de la termodinámica, que son principios fundamentales que describen el comportamiento de la energía. Vamos a explorar estas leyes:

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica es esencialmente la ley de la conservación de la energía. Plantea que la energía no puede ser creada ni destruida; solo puede cambiar de forma. La expresión matemática de esta ley es:

ΔU = Q - W

Donde:

  • ΔU es el cambio en la energía interna del sistema.
  • Q es el calor añadido al sistema.
  • W es el trabajo realizado por el sistema.

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica introduce el concepto de entropía, que es una medida del desorden o aleatoriedad de un sistema. Afirma que en cualquier intercambio de energía, si no entra ni sale energía del sistema, la energía potencial de la situación siempre será menor que la del estado inicial. En términos simples, los sistemas energéticos pasan de un estado de orden a un estado de desorden.

Sistemas sistemáticos Sistema desordenado

Esta es la ley que hace imposibles las máquinas de movimiento perpetuo, ya que violan este principio al afirmar generar energía de la nada o funcionar indefinidamente sin entrada de energía.

Tercera ley de la termodinámica

La tercera ley de la termodinámica establece que a medida que la temperatura de un sistema se acerca al cero absoluto (0 Kelvin), la entropía de un cristal perfecto se aproxima a cero. El cero absoluto es la temperatura más baja posible donde el movimiento de las partículas es mínimo.

Esta ley nos ayuda a entender que llegar al cero absoluto es prácticamente imposible, ya que significaría eliminar toda la energía del sistema, lo cual contradice otras leyes de la termodinámica.

Capacidad calorífica específica y calorimetría

La capacidad calorífica específica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de esa sustancia en un grado Celsius (o un Kelvin). Nos indica cuánta energía se necesita para cambiar la temperatura de una sustancia dada. La ecuación utilizada para encontrar la capacidad calorífica específica es:

Q = mcΔT

Donde:

  • Q es la energía térmica (en julios).
  • m es la masa del objeto (en kilogramos).
  • c es la capacidad calorífica específica (en julios/kg°C).
  • ΔT es el cambio de temperatura (en °C o K).

La calorimetría es el estudio de la medición de cambios de calor resultantes de reacciones químicas y transformaciones físicas. Un instrumento comúnmente utilizado en este campo es el calorímetro, que aísla un sistema para medir el calor involucrado en las reacciones.

Sistema de transferencia de calor

La transferencia de calor puede ocurrir de tres maneras diferentes: conducción, convección y radiación. Comprender estos mecanismos es importante para el estudio de la física térmica.

Conductividad

La conducción es el proceso de transferencia de calor a través de una sustancia sin ningún movimiento de la sustancia. Ocurre principalmente en sólidos donde las partículas están muy juntas. Cuando se calienta una partícula, vibra y transfiere energía a las partículas vecinas.

Un ejemplo cotidiano de conducción es cuando una cuchara de metal se calienta desde el mango hasta la punta cuando se coloca en un líquido caliente.

Convección

La convección es la transferencia de calor a través de un fluido (líquido o gas) causada por el movimiento del fluido. Cuando una parte de un fluido se calienta, se vuelve menos densa y sube, mientras que el fluido más frío y denso desciende. Esto crea una corriente de convección que facilita la transferencia de calor.

Frío Caliente Convección

Ejemplos de convección incluyen agua hirviendo, donde el agua caliente en el fondo sube, y el agua más fría desciende para tomar su lugar, creando un movimiento circular.

Radiación

La radiación es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no requiere un medio y puede ocurrir en el vacío. El calor del Sol que llega a la Tierra es un ejemplo destacado de radiación.

Los objetos emiten radiación continuamente, y la capacidad de un objeto para emitir o absorber radiación depende de la textura y el color de su superficie. Las superficies más oscuras y rugosas absorben más radiación que las superficies más claras y lisas.

Cambios de fase de la materia

A medida que las sustancias absorben o liberan calor, pueden experimentar cambios de fase, pasando entre los estados sólido, líquido y gaseoso. Estos cambios ocurren sin un cambio de temperatura hasta que la sustancia completa se transforma.

Fusión y congelación

La fusión ocurre cuando una sustancia cambia de un sólido a un líquido al absorber calor. En contraste, la congelación es el cambio de líquido a sólido, mientras se libera calor.

Ebullición y condensación

La ebullición es el cambio de líquido a gas, que ocurre a una temperatura específica llamada punto de ebullición, mientras que la condensación es el cambio de gas a líquido, lo que libera calor.

Sublimación y deposición

La sublimación es el cambio directo de sólido a gas sin pasar por el estado líquido, mientras que la deposición es el proceso opuesto, en el que un gas se convierte en sólido sin pasar por el estado líquido.

Teoría cinética de los gases

La teoría cinética de los gases es un modelo utilizado para describir el comportamiento de los gases y proporciona información sobre las leyes de los gases. Asume que las partículas de gas están en movimiento constante y aleatorio, y la temperatura del gas está relacionada con la energía cinética promedio de las partículas.

Algunos de los puntos clave son los siguientes:

  • Las partículas de gas están en movimiento constante y su colisión con las paredes de un recipiente produce presión.
  • El volumen ocupado por las partículas de gas es insignificante en comparación con el volumen del recipiente.
  • No hay fuerzas intermoleculares entre las partículas de gas.

Aplicaciones prácticas de la física térmica

Las aplicaciones de la física térmica son evidentes en la vida cotidiana y la tecnología, desde refrigeradores y aires acondicionados hasta plantas de energía y motores. Comprender los principios de la termodinámica y la transferencia de calor nos ayuda a usar la energía de manera eficiente y desarrollar tecnología sostenible.

Al considerar estos conceptos, los estudiantes adquieren una apreciación de la importancia de la física térmica en el progreso científico y la resolución práctica de problemas.


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