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

Grado 9 → Calor y Termodinámica → Thermal expansion ↓


Expansión de sólidos, líquidos y gases


La expansión térmica es un concepto fundamental en calor y termodinámica que describe cómo cambia el tamaño de los objetos con la temperatura. Todas las sustancias, ya sean sólidos, líquidos o gases, se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse. Este principio es importante para comprender muchos fenómenos naturales y tiene aplicaciones prácticas en ingeniería, construcción y la vida cotidiana.

Concepto básico de la expansión térmica

Cuando una sustancia se calienta, sus partículas comienzan a moverse más vigorosamente. Este aumento en la vibración de las partículas hace que la sustancia se expanda. El grado de expansión depende del tamaño original de la sustancia, el cambio de temperatura que experimenta y su coeficiente de expansión térmica. Este concepto puede expresarse mediante una fórmula simple:

ΔL = α × L₀ × ΔT

Donde:

  • ΔL es el cambio en la longitud del objeto.
  • α es el coeficiente de expansión lineal específico del material.
  • L₀ es la longitud original del objeto.
  • ΔT es el cambio de temperatura.

Expansión de sólidos

Los sólidos tienen una forma y un volumen definidos, y sus partículas están muy juntas. Como resultado, los sólidos generalmente tienen los coeficientes de expansión térmica más bajos en comparación con los líquidos y gases. No obstante, la expansión de los sólidos es importante y debe tenerse en cuenta en muchas aplicaciones.

Ejemplos de difusión en sólidos

Ferrocarriles: Las vías de tren están hechas de acero y se expanden durante el verano. Para acomodar esta expansión, se dejan deliberadamente espacios, conocidos como juntas de expansión, entre las vías.

Puentes: Los puentes metálicos están diseñados con juntas de expansión uniformes para prevenir daños estructurales debido a los cambios de temperatura a lo largo del año.

En el ejemplo anterior, la línea sólida podría representar una varilla de metal a temperatura ambiente. Al calentarse, la línea discontinua muestra cómo la varilla de metal se expande. Puede ver visualmente el aumento en longitud.

Expansión de líquidos

Los líquidos, aunque menos restringidos que los sólidos, también se expanden al calentarse. A diferencia de los sólidos, los líquidos no tienen forma fija, lo que les permite expandirse más libremente. La expansión de líquidos se mide como un cambio en volumen más que en longitud.

La fórmula para la expansión de volumen puede expresarse como:

ΔV = β × V₀ × ΔT

Donde:

  • ΔV es el cambio en volumen.
  • β es el coeficiente de expansión de volumen.
  • V₀ es el volumen original del líquido.

Ejemplos de difusión en líquidos

Termómetro: Un ejemplo común es un termómetro de mercurio. A medida que la temperatura aumenta, el mercurio se expande y sube en una columna delgada, lo que permite medir la temperatura.

Cuerpos de agua: Durante el clima cálido, la superficie de lagos y océanos se expande a medida que aumentan las temperaturas. Aunque esto es imperceptible a pequeña escala, puede afectar los patrones climáticos locales.

En esta visualización, la columna azul muestra líquido en un recipiente estrecho a dos temperaturas diferentes. Las porciones sombreadas muestran cómo el líquido se expande a medida que aumenta la temperatura, similar a cómo funciona un termómetro líquido.

Expansión de gases

Los gases se expanden mucho más que los sólidos y líquidos cuando se calientan. Esto se debe a que las moléculas de gas están muy separadas y se mueven libremente, haciendo que la expansión sea más evidente. Siguiendo la ley de Charles, la mayoría de los gases se expanden a una tasa constante con la temperatura cuando la presión se mantiene constante.

La ley de Charles establece:

V₁/T₁ = V₂/T₂

Esta relación muestra que, cuando la presión es constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura.

Ejemplos de expansión en gases

Globos aerostáticos: Los globos aerostáticos se elevan porque el aire dentro del globo se calienta, haciendo que se expanda. El globo flota porque tiene una densidad menor que el aire exterior.

Neumáticos de coches: En clima cálido, el aire dentro de los neumáticos de los coches se expande, aumentando la presión de los neumáticos. Controlar la presión de los neumáticos es muy importante para evitar accidentes.

El círculo sólido representa el gas a su temperatura inicial, y el círculo discontinua muestra cuánto se expande el gas a medida que aumenta la temperatura.

Aplicaciones de la expansión térmica

La expansión térmica juega un papel vital en varios aspectos de la vida:

Edificación y construcción: Los ingenieros deben tener en cuenta la expansión térmica al diseñar edificios, puentes y carreteras para prevenir fallas estructurales.

Electrodomésticos: Los electrodomésticos como refrigeradores y hornos dependen del coeficiente de expansión térmica para funcionar eficientemente.

Cocina: Las sartenes se expanden cuando se calientan. Esta expansión ayuda a distribuir uniformemente el calor, lo que cocina los alimentos de manera más eficiente.

Tuberías: Los sistemas de tuberías deben acomodar los cambios de longitud debido a los cambios de temperatura para prevenir fugas y rupturas.

Conclusión

Comprender la expansión térmica es importante para muchas áreas de la ciencia y la ingeniería. Desde vigas de acero en rascacielos hasta bolsas de aire en automóviles, la expansión térmica es un factor crítico que afecta el diseño y operación de muchos sistemas. Al comprender los principios de cómo los diferentes materiales se expanden con el calor, los ingenieros y científicos pueden crear diseños más seguros y eficientes. Aunque las matemáticas de la expansión térmica pueden parecer desafiantes, el concepto básico es simple: los materiales se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían.


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Expansión de sólidos, líquidos y gases

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