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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Expansión térmica


La expansión térmica es un concepto fundamental en el campo de la termodinámica que describe cómo cambia el tamaño o volumen de un objeto al ser expuesto a cambios de temperatura. Este fenómeno es importante para entender cómo se comporta una sustancia cuando se calienta o se enfría. Cuando aumenta la temperatura de una sustancia, sus partículas se mueven más y, por lo tanto, la sustancia generalmente se expande. Por el contrario, cuando baja la temperatura, las partículas se ralentizan y la sustancia se contrae.

Conceptos básicos de la expansión térmica

A nivel atómico y molecular, la materia está compuesta por partículas que están constantemente en movimiento. Estas partículas vibran y chocan entre sí. La temperatura es esencialmente una medida de la energía cinética promedio de estas partículas. Cuando aumenta la temperatura de una sustancia, también aumenta la energía cinética de sus partículas. Esta velocidad incrementada hace que las partículas requieran más espacio, lo que resulta en la expansión de la sustancia. Por el contrario, cuando baja la temperatura, el movimiento de las partículas se ralentiza y la sustancia se contrae.

Expansión lineal

La expansión lineal se refiere al cambio en una dimensión (longitud) de un objeto debido a un cambio de temperatura. Al discutir la expansión lineal, los ingenieros y científicos a menudo utilizan el coeficiente de expansión lineal, representado por el símbolo α. Este coeficiente es una constante específica del material que indica cuánto se expande un material por aumento de un grado en la temperatura.

La ecuación que rige la expansión lineal es:

ΔL = αL₀ΔT
  • ΔL es el cambio en la longitud.
  • L₀ es la longitud original del material.
  • ΔT es el cambio en la temperatura.
  • α es el coeficiente de expansión lineal.

Por ejemplo, considere una varilla de metal con una longitud original de 2 m a 20 °C. Si el coeficiente de expansión lineal del material de la varilla es 12 x 10^-6 / °C y la temperatura aumenta a 100 °C, el cambio en su longitud se puede calcular como:

ΔL = αL₀ΔT = (12 x 10^-6 / °C) * 2 m * (100°C - 20°C) = 0.00192 m

Por lo tanto, la varilla se expandirá en 0.00192 m (o 1.92 mm) con el aumento de temperatura.

Expansión de área

La expansión de área considera cómo cambia el área superficial de un objeto bidimensional con la temperatura. Este tipo de expansión es importante en contextos donde se utilizan objetos planos como láminas metálicas y placas delgadas.

La expansión de área se puede describir con la fórmula:

ΔA = βA₀ΔT
  • ΔA es el cambio en el área.
  • A₀ es el área original.
  • ΔT es el cambio en la temperatura.
  • β es el coeficiente de expansión de área, que es aproximadamente igual a 2α para la mayoría de los materiales.

Suponga que el área de una placa de metal a 25 °C es de 1 metro cuadrado y que el coeficiente de expansión lineal para el material es 10 x 10^-6 / °C. Si la temperatura cambia a 75 °C, la expansión en área se puede calcular como:

β = 2α = 2 * (10 x 10^-6 / °C) = 20 x 10^-6 / °C ΔA = βA₀ΔT = (20 x 10^-6) * 1 m² * (75°C - 25°C) = 0.001 m²

Esta área se expande a 0.001 metros cuadrados (o 1,000 metros cuadrados) a medida que aumenta la temperatura.

Expansión volumétrica

La expansión volumétrica aborda los cambios en el volumen de un objeto con cambios de temperatura y es importante en aplicaciones que involucran líquidos o sólidos con proporciones tridimensionales significativas. La fórmula de expansión volumétrica es:

ΔV = γV₀ΔT
  • ΔV es el cambio en el volumen.
  • V₀ es el volumen original.
  • ΔT es el cambio en la temperatura.
  • γ es el coeficiente de expansión volumétrica, que es aproximadamente 3α para la mayoría de los materiales.

Considere una jarra sellada llena con 3 litros de agua a 20 °C. Si el agua se calienta a 80 °C y el coeficiente de expansión volumétrica del agua es 210 x 10^-6 / °C, el cambio en volumen se puede determinar mediante:

ΔV = γV₀ΔT = (210 x 10^-6 / °C) * 3 L * (80°C - 20°C) = 0.0378 L

Por lo tanto, el agua se expande aproximadamente 0.0378 litros (o 37.8 mL) a medida que aumenta la temperatura.

Visualización de la expansión térmica

Visualizar la expansión térmica ayuda a comprender este concepto de manera más efectiva. Imagine un anillo de metal grueso. Cuando el anillo se calienta uniformemente, cada parte del anillo se expande, por lo que el anillo se agranda en general. El siguiente ejemplo muestra una vista simplificada de un círculo que se expande al calentarse.

tamaño original tamaño extendido

En este diagrama, el círculo de la izquierda muestra la forma original, y el círculo de la derecha muestra la forma expandida después del calentamiento. La visualización muestra claramente cómo las dimensiones aumentan proporcionalmente.

Ejemplo de texto: vías de tren

Un ejemplo práctico de la expansión térmica es el diseño de vías de tren. Los rieles de metal generalmente están hechos de acero que se expande y contrae con los cambios de temperatura estacionales. Para tener en cuenta la expansión térmica, se dejan pequeños espacios entre las secciones de los rieles para que no se deformen o retuerzan. Vamos a entender esto a través de un ejemplo.

Suponga que cada segmento de riel tiene una longitud inicial de 12 m a 15 °C. Dado un coeficiente de expansión lineal de 11 x 10^-6 / °C para el acero, si la temperatura aumenta a 35 °C, el aumento de la longitud será:

ΔL = αL₀ΔT = (11 x 10^-6 / °C) * 12 m * (35°C - 15°C) = 0.00264 m

Cada sección se alarga 0.00264 m (o 2.64 mm) a medida que aumenta la temperatura. Los diseñadores deben considerar esta expansión y proporcionar espacios adecuados entre los rieles para evitar daños estructurales.

Aplicaciones e implicaciones

La expansión térmica, aunque a menudo sutil, tiene muchas aplicaciones e implicaciones en ingeniería. Los puentes requieren juntas de expansión para evitar fallos en la integridad estructural, ya que los materiales se expanden y contraen. Los edificios pueden moverse sutilmente con los cambios de temperatura, requiriendo una planificación cuidadosa en el diseño arquitectónico para acomodar este movimiento.

Otra aplicación importante de la expansión térmica es el termómetro de líquido en vidrio. El líquido interior (generalmente mercurio o alcohol coloreado) se expande y contrae con los cambios en la temperatura exterior, subiendo o bajando en la escala del termómetro para indicar la temperatura.

Comprender la expansión térmica también es esencial en la electrónica. Las placas de circuitos se calientan durante la operación, por lo que es importante considerar la expansión térmica para evitar roturas o problemas de conexión.

Conclusión

En resumen, la expansión térmica es un concepto fundamental de la física que describe cómo reaccionan los objetos a los cambios de temperatura. Se manifiesta a través de la expansión lineal, de área y de volumen. Estos principios son importantes en una variedad de aplicaciones del mundo real, desde ferrocarriles hasta ingeniería aeroespacial. Comprender la expansión térmica ayuda a los ingenieros a diseñar estructuras que permanezcan seguras y funcionales a pesar de los cambios en la temperatura ambiental.


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