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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Calor y trabajo


Comprender los conceptos de calor y trabajo es fundamental para la termodinámica e importante para diversas aplicaciones en física e ingeniería. Estos conceptos nos ayudan a describir cómo se transfiere la energía dentro de un sistema y entre sistemas.

Introducción a la termodinámica

La termodinámica es el estudio de la transferencia y transformación de energía. Se ocupa principalmente de los tres tipos principales de transferencia de energía: calor, trabajo y la energía interna de los sistemas. El calor y el trabajo son las dos formas principales en las que la energía se transfiere a través de las fronteras de un sistema.

Definiciones clave

  • Sistema: La parte del universo en la que nos estamos enfocando. Esto podría ser tan pequeño como el gas dentro de un pistón o tan grande como la Tierra.
  • Entorno: Todo lo que está fuera del sistema y puede interactuar con él.
  • Frontera: Una línea real o imaginaria que separa un sistema de su entorno.
  • Estado de un sistema: El estado de un sistema, descrito por sus propiedades, como temperatura, presión y volumen.
  • Calor (Q): Energía transferida de un sistema a otro sin trabajo mecánico. Se fluye debido a las diferencias de temperatura.
  • Trabajo (W): Energía transferida cuando se aplica una fuerza a lo largo de una distancia o cuando ocurre un desplazamiento dentro de la frontera de un sistema.

Calor

El calor es una forma de transferencia de energía que se produce por diferencias de temperatura entre sistemas o componentes de un sistema. Si hay un gradiente de temperatura, el calor fluirá naturalmente del medio más caliente al medio más frío hasta que se alcance el equilibrio térmico.

Ejemplo de transferencia de calor

Considere una taza de café caliente colocada sobre una mesa. Con el tiempo, el café se enfría. Este enfriamiento ocurre porque la energía térmica del café se transfiere al aire más frío que lo rodea. En este escenario, el café es el sistema y el aire que lo rodea es el entorno.

Representación matemática del calor

Q = m * c * ΔT

Dónde:

  • Q es el calor transferido.
  • m es la masa de la sustancia.
  • c es la capacidad calorífica específica de la sustancia.
  • ΔT es el cambio de temperatura.

Ejemplo visual

Flujo de calor Frío Caliente

El diagrama anterior muestra el flujo de calor de un objeto caliente a uno frío. Las flechas de energía indican la dirección de transferencia de calor.

Trabajo

En termodinámica, el trabajo es energía que se transfiere a lo largo de una distancia aplicando una fuerza. Por ejemplo, cuando empujas un pistón en un cilindro, estás haciendo trabajo mecánico en el sistema al transferirle energía.

Ejemplo de trabajo

Imagina un gas en un cilindro con un pistón móvil adjunto. A medida que el gas se calienta, se expande y empuja el pistón hacia afuera, realizando trabajo sobre el entorno.

Formulación matemática del trabajo

W = P * ΔV

Dónde:

  • W es el trabajo realizado por el sistema.
  • P es la presión.
  • ΔV es el cambio de volumen.

Ejemplo visual

Trabajo realizado

Este diagrama muestra un pistón siendo empujado por un gas en expansión, y demuestra visualmente cómo el movimiento del pistón realiza trabajo.

Diferencia entre calor y trabajo

Si bien tanto el calor como el trabajo son formas de transferencia de energía, son fundamentalmente diferentes en términos de cómo se transfieren y cómo afectan a un sistema. El calor fluye debido a diferencias de temperatura, mientras que el trabajo implica fuerza y movimiento. Además, los procesos que involucran transferencia de calor no siempre pueden producir trabajo, y viceversa.

Ejemplo de texto

Considere hornear un pastel en un horno. El calor del horno se transfiere a la masa del pastel, cocinándola. Aunque se transfiere energía (calor), no se realiza un trabajo adicional sobre la masa del pastel. Compare esto con una máquina de vapor, donde el vapor realiza trabajo en los pistones para impulsar el motor.

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica, también llamada ley de conservación de la energía, relaciona los cambios en la energía interna con el calor añadido al sistema y el trabajo realizado por el sistema. Se representa matemáticamente como:

ΔU = Q - W

Dónde:

  • 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.

Esta ley asegura que la energía se conserva en un sistema cerrado. También destaca que tanto el calor como el trabajo pueden cambiar la energía interna de un sistema.

Aplicaciones y ejemplos

El calor y el trabajo son conceptos fundamentales que se aplican a una variedad de escenarios del mundo real, desde motores y refrigeradores hasta sistemas biológicos.

Motor

Los motores son un ejemplo clásico de trabajo producido a partir del calor. En un motor de combustión interna, el calor se produce al quemar combustible, lo que expande los gases que realizan trabajo en los pistones del motor. Este trabajo mecánico es lo que impulsa vehículos.

Refrigerador

Los refrigeradores funcionan con el principio de extraer calor de un espacio frío y liberarlo a un espacio cálido, lo que requiere una entrada de trabajo. Este proceso involucra un ciclo de compresión y expansión del refrigerante.

Sistemas biológicos

Nuestros cuerpos son sistemas biológicos que también gestionan el calor y el trabajo. La comida que comemos proporciona energía que nuestros cuerpos convierten en trabajo (metabolismo, actividad física) y calor.

Ejemplo de texto

Imagina que usas un aire acondicionado en verano. El aire acondicionado transfiere el calor del interior de la habitación al exterior, enfriando así la habitación. Este proceso implica trabajo realizado por el compresor del aire acondicionado, que mueve el refrigerante a través de su ciclo interno.

Conclusión

El calor y el trabajo son dos componentes importantes de la termodinámica, que proporcionan el marco para comprender y manipular la transferencia de energía. Al aplicar estos principios, podemos resolver problemas prácticos en diversos campos, optimizar el uso de energía y desarrollar nuevas tecnologías.


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Calor y trabajo

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