Grado 9
  1. Mechanics  1.1. Movimiento  1.1.1. Tipos de movimiento  1.1.2. Distancia y desplazamiento  1.1.3. Velocidad y Rapidez  1.1.4. Aceleración  1.1.5. Representación gráfica del movimiento  1.1.6. Ecuaciones de movimiento  1.1.7. Movimiento uniforme y no uniforme  1.1.8. Caída libre y aceleración debido a la gravedad  1.1.9. Velocidad relativa  1.1.10. Movimiento circular  1.2. Leyes de la fuerza y el movimiento  1.2.1. El concepto de fuerza  1.2.2. La primera ley del movimiento de Newton  1.2.3. Segunda ley del movimiento de Newton  1.2.4. Tercera ley del movimiento de Newton  1.2.5. Inercia y tipos de inercia  1.2.6. Movimiento  1.2.7. Conservación del momento  1.2.8. Aplicación de las leyes de Newton en la vida diaria  1.2.9. Tipos de Fuerzas (Contacto y No Contacto)  1.2.10. Fricción y sus efectos  1.3. Fuerza gravitacional  1.3.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.3.2. Importancia de la Fuerza Gravitacional  1.3.3. Aceleración debido a la gravedad  1.3.4. Caída libre e ingravidez  1.3.5. Masa y peso  1.3.6. Variación de g con altura y profundidad  1.3.7. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.3.8. Satélites y sus órbitas  1.4. Trabajo, Energía y Potencia  1.4.1. Concepto de trabajo  1.4.2. Acciones positivas y negativas  1.4.3. Trabajo realizado por fuerza constante y variable  1.4.4. Energía y sus formas  1.4.5. Energía cinética y energía potencial  1.4.6. La ley de conservación de la energía  1.4.8. Unidad comercial de energía  1.4.9. Teorema trabajo-energía  1.5. Máquinas simples  1.5.1. Tipos de máquinas simples  1.5.2. Ventaja mecánica  1.5.3. Eficiencia de la máquina  1.5.4. Palancas y sus tipos  1.5.5. Poleas y planos inclinados  1.5.6. Engranajes y sus usos
  2. Propiedades de la materia  2.1. Estados de la materia  2.1.1. Sólidos, líquidos y gases  2.1.2. Propiedades de los diferentes estados de la materia  2.1.3. Cambio en el estado de la materia  2.1.4. Plasma y condensado de Bose-Einstein  2.2. Densidad y presión  2.2.1. Concepto de densidad y densidad relativa  2.2.2. Presión en sólidos, líquidos y gases  2.2.3. La ley de Pascal y sus aplicaciones  2.2.4. Presión atmosférica y sus variaciones  2.2.5. Tensión superficial y capilaridad  2.3. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  2.3.1. Fuerza de flotación  2.3.2. Principio de Arquímedes  2.3.3. Aplicaciones del Principio de Arquímedes  2.3.4. objetos que flotan y se hunden  2.3.5. Teoría de la Flotación y el Principio de Arquímedes
  3. Calor y Termodinámica  3.1. Temperatura y calor  3.1.1. Concepto de calor y temperatura  3.1.2. Medición de temperatura  3.1.3. Escalas de temperatura  3.2. Transferencia de calor  3.2.1. Conducción del calor  3.2.2. Convección del calor  3.2.3. Radiación de calor  3.2.4. Aplicaciones de la transferencia de calor  3.2.5. Conductividad térmica  3.3. Thermal expansion  3.3.1. Expansión de sólidos, líquidos y gases  3.3.2. Expansión anómala del agua  3.3.3. Aplicaciones de la expansión térmica  3.4. Capacidad calorífica específica y calor latente  3.4.1. Concepto de capacidad calorífica específica  3.4.2. Medición y aplicaciones del calor específico  3.4.3. Calor latente de fusión y vaporización  3.4.4. Motores de calor y eficiencia
  4. Ondas y sonido  4.1. Ondas y sus tipos  4.1.1. Ondas mecánicas y electromagnéticas  4.1.2. Ondas Longitudinales y Transversales  4.1.3. Propiedades de las ondas  4.1.4. Longitud de onda, frecuencia y velocidad de la onda  4.1.5. Superposición de ondas  4.2. Ondas sonoras  4.2.1. Naturaleza y transmisión del sonido  4.2.2. Velocidad del sonido en diferentes medios  4.2.3. Reflexión del sonido y eco  4.2.4. Sonar y ultrasonido  4.2.5. Resonancia y pulsación  4.3. Características del sonido  4.3.1. Intensidad, volumen y calidad del sonido  4.3.2. Efecto Doppler en el sonido
  5. Iluminación y Óptica  5.1. Reflexión de la luz  5.1.1. Leyes de la reflexión  5.1.2. Reflexión desde un espejo plano  5.1.3. Reflexión en un espejo esférico  5.1.4. Formación de imágenes por espejos cóncavos y convexos  5.1.5. Aplicaciones de la Reflexión  5.2. Refracción de la luz  5.2.1. Leyes de la refracción  5.2.2. Índice de refracción  5.2.3. Refracción a través de una lámina de vidrio  5.2.4. Refracción en el agua y el aire  5.2.5. Lentes y sus tipos  5.2.6. Formación de imágenes por lentes convexas y cóncavas  5.2.7. Reflexión interna total y sus aplicaciones  5.3. Dispersión y dispersión de la luz  5.3.1. Espectro de la luz blanca  5.3.2. Prismas y Dispersión  5.3.3. Efecto Tyndall y cielo azul
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Carga eléctrica y electricidad estática  6.1.1. El concepto de carga eléctrica  6.1.2. Carga por fricción, contacto e inducción  6.1.3. Electroscopio y su funcionamiento  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. El concepto de corriente eléctrica  6.2.2. Ohm's Law and Resistance  6.2.3. Factores que afectan la resistencia  6.2.4. Circuitos en Serie y Paralelo  6.2.5. Heating effect of electric current  6.2.6. Potencia y energía eléctricas  6.3. Magnetismo  6.3.1. Imanes naturales y artificiales  6.3.2. Propiedades de los imanes  6.3.3. Magnetismo de la Tierra  6.3.4. Campo magnético y líneas de campo  6.3.5. Electroimanes y sus aplicaciones
  7. Física Moderna  7.1. estructura del átomo  7.1.1. Estructura Atómica y Partículas Subatómicas  7.1.2. Electrones, Protones y Neutrones  7.1.3. Modelo de Rutherford y Bohr  7.2. Radiactividad  7.2.1. Tipos de emisiones radiactivas  7.2.2. Vida media y desintegración radiactiva  7.2.3. Usos y Peligros de la Radiactividad
  8. Ciencia espacial y astronomía  8.1. El universo y sus componentes  8.1.1. Estrellas y galaxias  8.1.2. Planetas y Sistema Solar  8.2. Satélites  8.2.1. Satélites naturales y artificiales  8.2.2. Uso de satélites

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Transferencia de calor


Introducción a la transferencia de calor

El calor es una forma de energía que se transfiere entre objetos debido a una diferencia de temperatura. En el estudio de la física y la termodinámica, comprender cómo se transfiere el calor es importante para explicar muchos fenómenos cotidianos, desde cómo cocinamos los alimentos hasta cómo enfriamos nuestros hogares.

A lo largo de esta explicación, profundizaremos en los mecanismos de transferencia de calor, incluyendo conducción, convección y radiación. Estos mecanismos rigen el movimiento de la energía térmica a través de diferentes materiales y espacios.

Conductividad

La conducción es el proceso mediante el cual la energía calorífica se transmite a través de colisiones entre moléculas o átomos vecinos. La conducción ocurre principalmente en sólidos donde las partículas están muy juntas.

Para visualizar esto, imagina una barra de metal con un extremo colocado en una llama. El calor de la llama hace que las moléculas en el extremo caliente vibren más rápido. Este aumento de velocidad resulta en la transferencia de energía a las moléculas cercanas, provocando que el calor se propague a lo largo de la barra:

    Ejemplo de transferencia de calor en conducción:
    , Llama 🌶 => molécula de metal: 
    (caliente) --> (vibra) --> (el calor se va)
    ,

Matemáticamente, la transferencia de calor via conducción puede describirse por la ley de Fourier:

    q = -k * a * (dt/dx)

Dónde:

  • Q es la transferencia de calor por unidad de tiempo.
  • k es la conductividad térmica del material.
  • A es el área de la sección transversal.
  • dT/dx es el gradiente de temperatura en dirección del flujo de calor.

Ejemplo: Considera una sartén colocada en una estufa. La parte de la sartén que está directamente sobre la fuente de calor se calienta primero. El mango, al ser parte del mismo objeto sólido, se calienta finalmente a través de la conducción.

Convección

La convección es la transferencia de calor por el movimiento físico de un fluido (líquido o gas). Este proceso es principalmente responsable de la transferencia de calor en fluidos, donde el movimiento a granel mueve energía de un lugar a otro.

Una observación común de la convección se puede ver al calentar agua en una olla. El agua en el fondo, que está más cerca de la fuente de calor, se calienta, se vuelve menos densa y asciende. El agua más fría y densa desciende para ocupar su lugar:

    Ejemplo de transferencia de calor en convección:
    ,
    Agua caliente ↑ 
    Agua fría ↓ 
    (fuente de calor abajo)
    ,

La manifestación de la transferencia de calor por convección puede describirse por la ley de enfriamiento de Newton:

    Q = h * A * (T_surface - T_fluid)

Dónde:

  • Q es la transferencia de calor por unidad de tiempo.
  • h es el coeficiente de transferencia de calor.
  • A es el área de la superficie a través de la cual se está transfiriendo el calor.
  • T_surface es la temperatura de la superficie.
  • T_fluid es la temperatura del fluido alejada de la superficie.

Ejemplo: Piensa en cómo funciona el ventilador dentro de una unidad de aire acondicionado. Circula aire fresco por toda la habitación, reemplazando constantemente el aire caliente con aire fresco y, por lo tanto, enfriando la habitación mediante convección.

Radiación

La radiación es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas. A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no requiere medio; el calor puede transferirse a través del vacío del espacio.

Un ejemplo clásico de radiación es el calor que sentimos del Sol. Aunque el Sol está a millones de kilómetros de la Tierra, su energía térmica viaja a través del vacío del espacio para llegar a nosotros como radiación infrarroja.

    Ejemplo de transferencia de calor en radiación:
    ,
    Sol 🌞 ---> Tierra 🌍
    (vacío del espacio)
    ,

La cantidad de calor radiado puede calcularse usando la ley de Stefan-Boltzmann:

    q = ε * σ * a * t^4

Dónde:

  • Q es la energía total radiada por unidad de tiempo.
  • ε es la emisividad del material.
  • σ es la constante de Stefan-Boltzmann (5.67 × 10^-8 W/m^2K^4).
  • A es el área de la superficie del objeto.
  • T es la temperatura absoluta del objeto en Kelvin.

Ejemplo: El calor que sientes de una hoguera cuando estás sentado cerca se irradia principalmente por radiación. Aunque el aire entre tú y el fuego no esté caliente, aún puedes sentir calor debido a este tipo de transferencia de calor.


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Transferencia de calor

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