Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Primera ley de la termodinámica


La primera ley de la termodinámica es un principio fundamental en física que establece el concepto básico de la conservación de la energía. Afirma que la energía no puede ser creada ni destruida en un sistema aislado. Más bien, solo puede ser convertida de una forma a otra o transferida de una parte del sistema a otra. Esto significa que la energía total de un sistema aislado permanece constante.

Comprensión conceptual

Imagina que tienes una caja sellada que no permite que ninguna energía entre o salga. Dentro de esta caja, si tienes un objeto caliente, puede enfriarse con el tiempo, pero en otro lugar de la caja, otra cosa ganará algo de energía. Esto podría ser el movimiento de moléculas de gas que lleva a un aumento de temperatura dentro de la caja. La energía total en esta caja cerrada permanece igual.

Para poner esto en una forma de ecuación simple, escribimos:

Energía de entrada = Energía de salida + Cambio en la energía

En un sentido termodinámico más detallado, esto puede expresarse como:

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.

Ejemplo visual

Consideremos un sistema de pistón simple para entender la primera ley de la termodinámica.

 ,
| | 
,
|  | |
, | ,
| │ cilindro ├───────┘
,
,

En este sistema de pistón, si se añade calor Q (por ejemplo, quemando un poco de combustible), esto acelerará el pistón, que hará trabajo W en el área a su alrededor a medida que se expande. La primera ley nos dice que la cantidad de calor convertida en trabajo más cualquier cambio en la energía interna ΔU del gas dentro del pistón seguirá siendo igual al calor inicial Q.

Ejemplos textuales y aplicaciones

Considera sostener una varilla de metal y calentar uno de sus extremos. Pronto sentirás el calor acercándose a tu mano. Lo que está sucediendo aquí es que la energía térmica se está transfiriendo a lo largo de la varilla desde el extremo caliente al extremo frío. No se pierde energía; solo se mueve de un lugar a otro. Esa es la primera ley.

La primera ley es importante para entender motores como los de los automóviles. Los motores de combustión interna, que empujan un pistón hacia afuera a medida que los gases se expanden, fueron diseñados basándose en la primera ley. Durante cada ciclo del motor, parte de la energía potencial química almacenada en el combustible se convierte en energía térmica mediante la combustión. Esta energía térmica luego realiza trabajo en el pistón, moviendo tu vehículo hacia adelante.

Aspectos matemáticos

Veamos algunos aspectos matemáticos de esta ley:

Tenemos la fórmula:

ΔU = Q – W

Aquí, tanto Q como W pueden ser positivos o negativos, dependiendo de la dirección del flujo de calor y del trabajo realizado.

  • Si se añade calor al sistema, entonces Q es positivo.
  • Si se elimina calor, entonces Q es negativo.
  • Si el sistema realiza trabajo, entonces W es positivo.
  • Si se realiza trabajo sobre el sistema, entonces W es negativo.

Consideremos un ejemplo:

Supongamos que un sistema absorbe 500 julios de calor y realiza 225 julios de trabajo, ¿cuál será el cambio en la energía interna?

ΔU = Q – W
ΔU = 500 J – 225 J
ΔU = 275 J

Por lo tanto, el cambio en la energía interna es de 275 J.

Implicaciones en el mundo real

Una implicación interesante de la primera ley es determinar la eficiencia energética. Considera una planta de energía que produce electricidad. No toda la energía producida al quemar combustible se convierte en electricidad; parte se pierde al medio ambiente como calor residual. Al aplicar la primera ley, los ingenieros pueden determinar cuánta energía útil se produce en comparación con la entrada total de energía y tratar de mejorar la eficiencia, lo que lleva a un uso más sostenible de la energía y a un menor impacto ambiental.

En un refrigerador, la primera ley nos ayuda a entender cómo se absorbe y expulsa el calor dentro del electrodoméstico, disminuyendo la temperatura interna y manteniendo los alimentos en buen estado.

Conclusión

La primera ley de la termodinámica destaca la naturaleza irreversible de la conservación de la energía. Sus principios son fundamentales no solo en la física teórica, sino también en aplicaciones prácticas como motores, refrigeradores e incluso procesos biológicos dentro de nuestros cuerpos. Ya sea a través de ecuaciones o ejemplos cotidianos, entender cómo se transfiere la energía dentro y entre sistemas es vital para avanzar en la tecnología y mejorar la calidad de vida.


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Primera ley de la termodinámica

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