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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Termodinámica


La termodinámica es una rama interesante de la física que trata del estudio del calor, el trabajo y la energía. En su núcleo, explora cómo se transfiere la energía en los procesos físicos y cómo afecta a la materia. Este conjunto de principios gobierna gran parte del mundo natural y la tecnología. La termodinámica sienta las bases para comprender cómo funcionan los motores, cómo los refrigeradores mantienen las cosas frías e incluso por qué nuestro universo se comporta como lo hace a gran escala. Vamos a profundizar en el fascinante mundo de la termodinámica.

Conceptos básicos

Antes de entrar en las leyes de la termodinámica, es necesario comprender algunos conceptos básicos:

Sistema y entorno

En termodinámica, definimos el sistema como la parte del universo en la que nos enfocamos. Todo lo demás fuera de este sistema es su entorno. Por ejemplo, si estás estudiando una taza de café, el café es el sistema, y el aire que lo rodea es el entorno.

Tipos de sistemas

  • Sistema abierto: puede intercambiar tanto energía como materia con su entorno. Un ejemplo de esto es una olla de agua colocada en la estufa sin tapa.
  • Sistema cerrado: puede intercambiar energía, pero no materia, con su entorno. Un ejemplo de esto es una botella de agua caliente sellada, donde sólo el calor puede pasar a través de las paredes.
  • Sistema aislado: no puede intercambiar energía ni materia con su entorno. Un ejemplo de esto es una botella termo perfecta que mantiene tu bebida caliente sin pérdida ni ganancia de calor.

Variables de estado

Las propiedades que describen el estado de un sistema termodinámico se llaman variables de estado. Algunas de las variables de estado clave incluyen:

  • Temperatura (T): Una medida de la energía cinética media de las partículas en una sustancia.
  • Presión (P): La fuerza ejercida por unidad de área por partículas que chocan con las paredes de un contenedor.
  • Volumen (V): La cantidad de espacio ocupado por el sistema.
  • Energía interna (U): La energía total contenida en el sistema.

Procesos y ciclos

Un proceso termodinámico es un cambio que ocurre en un sistema de un estado de equilibrio a otro. Hay diferentes tipos de procesos, incluyendo:

  • Isotérmico: ocurre a temperatura constante. Piensa en la expansión o contracción lenta de un gas, donde se intercambia calor para mantener la temperatura constante.
  • Adiabático: Ocurre sin transferencia de calor. Imagina un gas comprimiéndose o expandiéndose rápidamente en un contenedor aislado.
  • Isobárico: ocurre a presión constante. Un ejemplo de esto es calentar un gas en un pistón que puede expandirse mientras mantiene la presión constante.
  • Isochórico: ocurre a volumen constante. Un ejemplo de esto es calentar un gas en un contenedor rígido sin expansión.

Un ciclo termodinámico es una serie de procesos que devuelve el sistema a su estado inicial. El ciclo más común es el ciclo de Carnot, que da información sobre la eficiencia de los motores.

Leyes de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica proporcionan un marco para entender cómo fluye la energía y se transforma. Estas leyes son principios fundamentales en física:

Cero ley de la termodinámica

La cero ley de la termodinámica establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, también estarán en equilibrio térmico entre sí. Esta ley ayuda a definir la temperatura.

Imagina tres bloques de metal etiquetados A, B y C. Si los bloques A y B están a la misma temperatura que el bloque C, entonces los bloques A y B también deben estar a la misma temperatura.

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica es el enunciado de conservación de la energía. Implica que la energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede ser convertida de una forma a otra o transferida de un objeto a otro.

ΔU = Q - W

Aquí, ΔU representa el cambio en energía interna del sistema, Q es el calor añadido al sistema, y W es el trabajo realizado por el sistema.

Por ejemplo, considera un gas en un cilindro con un pistón. Si se añade calor al gas, puede hacer trabajo empujando el pistón hacia afuera. La energía restante aumenta la energía interna del gas.

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo. La entropía es una medida del desorden o aleatoriedad en un sistema.

Esta ley implica que los procesos naturales tienden hacia un estado de máximo caos o equilibrio. También establece que es imposible convertir toda la energía térmica en trabajo en un ciclo.

Imagina una pila de papeles ordenada. Sin ninguna intervención externa, es más probable que se desordene con el tiempo que permanezca perfectamente organizada.

ΔS ≥ 0
Aquí, ΔS es el cambio en entropía. Para procesos reversibles, ΔS = 0 Para procesos irreversibles, ΔS > 0.

Tercera ley de la termodinámica

La tercera ley de la termodinámica establece que a medida que la temperatura de un sistema se acerca al cero absoluto, la entropía del sistema se aproxima a un mínimo constante. Esencialmente, es imposible alcanzar el cero absoluto por cualquier proceso físico.

Cero absoluto (0 Kelvin) es el punto teórico donde la velocidad vibratoria de las partículas es mínima, representando el estado de entropía más baja posible.

Variables y ecuaciones termodinámicas

Entender las ecuaciones clave y las relaciones entre las variables es extremadamente importante para entender mejor la termodinámica.

Ley de los gases ideales

La ley de los gases ideales relaciona la presión, el volumen y la temperatura de un gas ideal. Se expresa como:

PV = nRT

donde P es la presión, V es el volumen, n es el número de moles, R es la constante universal de los gases, y T es la temperatura en Kelvin.

Entalpía

La entalpía es una función de estado denotada por H, que se define como:

H = U + PV

Donde U es la energía interna, P es la presión, y V es el volumen. Representa el contenido total de calor de un sistema a presión constante.

Entropía y el ciclo de Carnot

Un concepto fundamental es la entropía, que es importante en la segunda ley. El ciclo de Carnot, un ciclo termodinámico idealizado, permite comprender la eficiencia máxima teórica de los motores térmicos.

η = 1 - (T_c / T_h)

Aquí, η es la eficiencia, T_c es la temperatura del almacenamiento frío, y T_h es la temperatura del almacenamiento caliente.

Aplicaciones de la termodinámica

La termodinámica tiene aplicaciones en una variedad de campos; comprender estas puede hacer su importancia clara:

Motor térmico

Los motores térmicos convierten la energía térmica en trabajo mecánico. Ejemplos incluyen motores de automóviles y turbinas de vapor.

En un motor de coche, la combustión del combustible genera altas temperaturas, lo que crea presión que mueve un pistón, produciendo trabajo mecánico.

Refrigeradores y bombas de calor

Los refrigeradores usan los principios de la termodinámica para transferir calor de un lugar más frío a un lugar más cálido, manteniendo los contenidos fríos.

Una bomba de calor hace lo opuesto, utilizando energía para transferir calor para calentar un espacio.

Transición de fase

La termodinámica explica cambios de fase como la fusión, ebullición y congelación, que implican cambios de entropía.

Por ejemplo, se usa energía térmica para derretir hielo y formar agua, lo que cambia el estado de sólido a líquido.

Ejemplo de explicación visual

Expansión del gas en el pistón

Considera un experimento en el que un gas está confinado en un cilindro que contiene un pistón móvil.

Inicialmente, el gas está comprimido, manteniendo el pistón en la posición baja:

__ | |__ | | | | | | |__| |__
__ | |__ | | | | | | |__| |__

Cuando se añade calor, el gas se expande, empujando el pistón hacia arriba:

 __ | | | | | |____ |__| |
 __ | | | | | |____ |__| |

Esta vista muestra cómo ocurren las transformaciones de energía en los procesos termodinámicos, y también aclara el concepto del trabajo realizado por un sistema.

Conclusión

La termodinámica proporciona una lente a través de la cual podemos explorar cómo la energía interactúa con el mundo. Desde sus conceptos básicos hasta sus leyes generales, comprender la termodinámica abre la puerta al avance en la ciencia y la ingeniería. Al explorar aplicaciones del mundo real, como motores, refrigeradores y procesos naturales, vemos el importante papel que la termodinámica juega en dar forma a nuestra vida diaria. A medida que continuamos estudiando estos principios, podemos innovar y optimizar tecnologías que mejoren nuestra comprensión de la energía y la eficiencia en el universo.

Las complejidades de la termodinámica exigen una exploración más profunda, pero incluso estos conceptos y leyes elementales nos brindan una comprensión profunda del complejo baile entre la energía y la materia.


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