Bienvenido al Mundo de la Física

Bienvenidos al curso de Física Básica,  en el cual se estudiara una introducción a los fenómenos físicos básicos en nuestro medio ambiente. Es un curso muy interesante el cual necesita mucha dedicación y tiempo para leer, hacer sus proyectos, resolver ejercicios y en si todas las actividades que les sean útiles, estoy para servirles y se ha creado este espacio virtual para que puedan opinar, compartir ideas y/o cualquier información importante de nuestro curso.

A continuación mostraremos el contenido previo del curso básico de Física 

Introducción a la Física

La física es la ciencia que estudia la Naturaleza en su sentido más amplio. La física es la ciencia básica que estudia el cosmos, es decir, el todo desde el punto de vista científico. Aunque, aparentemente, la física consiste en buscar o encontrar una materialización de la realidad observable, no es así.   Continuar...

Historia de la Física
Desde la más remota antigüedad las personas han tratado de comprender la naturaleza y los fenómenos que en ella se observan: el paso de las estaciones, el movimiento de los cuerpos y de los astros, los fenómenos climáticos, las propiedades de los materiales, etc. .  Continuar... 

Introducción al Calculo Vectorial
El cálculo vectorial o análisis vectorial es un campo de las matemáticas referidas al análisis real multivariable de vectores en 2 o más dimensiones. Es un enfoque de la geometría diferencial como conjunto de fórmulas y técnicas para solucionar problemas muy útiles para la ingeniería y la física.  Continuar... 


Vector 
Vector En física, un vector (también llamado vector euclidiano o vector geométrico) es una herramienta geométrica utilizada para representar una magnitud física definida por su módulo (o longitud), su dirección (u orientación) y su sentido (que distingue el origen del extremo). Continuar... 



Operaciones con Vectores
Las operaciones con vectores trata de panipularse conlas cuatro operaciones fundamentales de los vectores, son los siguientes: Sumar vectores, Restar vectores, producto escalar, Producto Vectorial de Vectores. Continuar...

Cinemática
La cinemática es una rama de la física que estudia las leyes del movimiento (cambios de posición) de los cuerpos, sin tomar en cuenta las causas (fuerzas) que lo producen y se limita, esencialmente, al estudio de la trayectoria en función del tiempo.  Continuar... 

Movimiento Rectilíneo Uniforme 
Un movimiento es rectilíneo cuando el móvil describe una trayectoria recta, y es uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, dado que su aceleración es nula. Nos referimos a él mediante el acrónimo MRU.  Continuar... 


Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado
El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA), también conocido como movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV), es aquel en el que un móvil se desplaza sobre una trayectoria recta estando sometido a una aceleración constante. Continuar... 


Caída Libre
En física, se denomina caída libre al movimiento de un cuerpo bajo la acción exclusiva de un campo gravitatorio. Esta definición formal excluye a todas las caídas reales influenciadas en mayor o menor medida por la resistencia aerodinámica del aire, así como a cualquier otra que tenga lugar en el seno de un fluido;  Continuar... 

Movimiento Relativo

El movimiento siempre es un concepto relativo porque debe referirse a un sistema de referencia o referencial particular escogido por el observador. Puesto que diferentes observadores pueden utilizar referenciales distintos, es importante relacionar las observaciones realizadas por aquellos. Continuar... 


Movimiento Parabólico

Se denomina movimiento parabólico al realizado por un objeto cuya trayectoria describe una parábola. Se corresponde con la trayectoria ideal de un proyectil que se mueve en un medio que no ofrece resistencia al avance y que está sujeto a un campo gravitatorio uniforme. Continuar...


Movimiento Circular Uniforme (MCU)

En física, el movimiento circular uniforme describe el movimiento de un cuerpo atravesando, con rapidez constante, una trayectoria circular. Continuar... 


Movimiento Circular Uniformemente Variado

Es aquel movimiento que tiene como trayectoria un circunferencia, en el cual la partícula aumenta o disminuye su velocidad angular progresivamente, por consiguiente se mueve con aceleración angular constante. Continuar... 


Estática
La estática es la rama de la mecánica clásica que analiza las cargas (fuerza, par / momento) y estudia el equilibrio de fuerzas en los sistemas físicos en equilibrio estático, es decir, en un estado en el que las posiciones relativas de los subsistemas no varían con el tiempo. Continuar...


Leyes de Newton
Las leyes de Newton, también conocidas como leyes del movimiento de Newton, son tres principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas planteados por la mecánica, en particular, aquellos relativos al movimiento de los cuerpos. Continuar... 



Primera Condición de Equilibrio

Consideremos un objeto que cuelga de una cuerda, como se muestra en la figura. Sobre el objeto actúan dos fuerzas: una de ellas es la tensión de la cuerda que impide que el objeto caiga, la otra es la fuerza de gravedad, la cual actúa sobre el objeto atraiéndolo hacia abajo, a dicha fuerza la definimos como el peso del objeto. Continuar... 


Teorema de Lamy

Si un cuerpo rígido en equilibrio se encuentra sometido a la acción de tres (3) fuerzas, estas deben ser coplanares y sus líneas de acción deben ser concurrentes. Continuar... 


Sistema Físico, Fuerzas Internas y Externas

Se denomina sistema físico al conjunto de cuerpos articulados, o partículas interactuantes, que se desea analizar y es elegido de manera arbitraria. Sobre cada una de las partículas del sistema actúan fuerzas que pueden clasificarse en: fuerzas externas y fuerzas internas al sistema. Continuar...


Segunda Condición de Equilibrio

Para que un cuerpo esté en equilibrio derotación, debe cumplirse la segunda condición que dice: para que un cuerpo esté en equilibrio de rotación, la suma de los momentos o torques de fuerzas que actúan sobre él respecto a cualquier punto debe ser igual a cero. Continuar...


Centro de Gravedad

El centro de gravedad es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas porciones materiales de un cuerpo, de tal forma que el momento respecto a cualquier punto de esta resultante aplicada en el centro de gravedad es el mismo que el producido por los pesos de todas las masas materiales que constituyen dicho cuerpo. Continuar...


Fuerza de Rozamiento

Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, a la fuerza entre dos superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento (fuerza de fricción estática). Continuar... 


Dinámica
La dinámica es la parte de la física (específicamente de la mecánica clásica) que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento. Continuar... 


Segunda Ley de Newton
La segunda ley de Newton determina que si se aplica una fuerza a un cuerpo, éste se acelera. Continuar... 

Inercia
En física, la inercia es la propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en su estado de reposo o movimiento, mientras la fuerza neta sea igual a cero, o la resistencia que opone la materia al modificar su estado de reposo o movimiento. Continuar... 


Principio de Equivalencia
El principio de equivalencia es el principio físico de la relatividad general y de varias otras teorías métricas de la gravedad. Continuar... 


Dinámica Circular
Si la fuerza neta sobre un cuerpo no tiene la misma dirección de la velocidad, se rompe el equilibrio produciéndose un movimiento curvilíneo.  Continuar... 


Fuerza Centrífuga
Se suele decir que la fuerza centrífuga no es en sí una fuerza real, en el sentido en que esté producida por algún agente real o por interacción alguna. Continuar... 


Fuerza Centrípeta
Se llama fuerza centrípeta a la fuerza, o al componente de la fuerza que actúa sobre un objeto en movimiento sobre una trayectoria curvilínea, y que está dirigida hacia el centro de curvatura de la trayectoria. Continuar... 


Trabajo
En mecánica clásica, el trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo.  Continuar... 


Energía
En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, (energía) se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico. Continuar... 


Energía Potencial Gravitatoria
La energía potencial gravitacional es la energía que posee un objeto, debido a su posición en un campo gravitacional. Continuar... 


Energía Potencial Elástica
En un sistema físico, la energía potencial es energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Continuar... 


Estática de Fluidos
En este curso se van a tratar los fluidos, pero antes, y para enfocar mejor el problema se analizarán los cuerpos rígidos y los deformables, y así poder comparar unos y otros resultando de esta forma sus diferencias. Continuar... 


Densidad
En física y química, la densidad (símbolo ρ) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia.  Continuar...


Principio de Pascal 
El principio de pascal quiere decir que el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible (liquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada uno de las partes del mismo. Continuar...


Presión Hidrostática
Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él.  Continuar...


Presión Atmosférica 
Si sobre una mesa se coloca un objeto pesado, el peso de ese cuerpo ejerce sobre la superficie de la mesa una cierta presión.   Continuar... 

Ley de la Gravitación Universal
La ley de gravitación universal es una ley física clásica que describe la interacción gravitatoria entre distintos cuerpos con masa. Continuar... 


Campo Gravitatorio
En física, el campo gravitatorio o campo gravitacional es un campo de fuerzas que representa la gravedad.  Continuar... 


El Calor
El calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Continuar...


Temperatura
 La temperatura de un cuerpo indica en qué dirección se desplazará el calor al poner en contacto dos cuerpos que se encuentran a temperaturas distintas, ya que éste pasa siempre del cuerpo cuya temperatura es superior al que tiene la temperatura más baja;  Continuar... 


Calorimetría
La calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de los cambios físicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina calorímetro. Continuar...


Capacidad Calorífica
La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta.  Continuar... 


Calor Latente
Se define como la cantidad de calor que necesita una sustancia para pasar del estado sólido a líquido o de líquido a gas sin cambio de temperatura.  Continuar... 

         Contenido del Curso                                                         Ejercicios Resueltos 

TEMAS RELACIONADAS 

Cinemática

Movimiento rectilíneo Uniforme (MRU)

Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado(MRUV)

Ejercicios Resueltos de (MRUV)

Movimiento de Caída Libre

Movimiento Relativo

Movimiento Parabólico

Movimiento Circular Uniforme (MCU)

Movimiento Circular Uniforme Variado (MCUV)

Calor Latente

Se define como la cantidad de calor que necesita una sustancia para pasar del estado sólido a líquido o de líquido a gas sin cambio de temperatura. En el caso del agua, el calor latente de fusión del hielo se define como la cantidad de calor que necesita un gramo de hielo para pasar del estado sólido al líquido manteniendo la temperatura constante en el punto de fusión (273 k).

Calor latente de fusión del hielo a 0 °C, 80 cal/g

Calor latente de evaporación del agua a 100 °C, 540 cal/g

Determinación del calor latente de fusión del hielo.

Para determinar el calor latente de fusión del hielo, L, se utiliza el método de las mezclas que consiste en mezclar en un calorímetro cierta cantidad de hielo con otra cantidad de agua y medir la temperatura de equilibrio de la mezcla. De esta forma el calor ganado por el hielo será igual al calor perdido por el agua.

Determinación del equivalente en agua del calorímetro.

Es la masa de agua capaz de absorber la misma cantidad de calor que el calorímetro para una misma elevación de temperatura.

Para calcularlo, se vierte un volumen conocido de agua (M1) a una temperatura (Tc) superior a la temperatura ambiente. Por otro lado se enfría otra cantidad de agua (M2) hasta una temperatura (Tf) inferior a la temperatura ambiente y se añade al calorímetro. Se agita y se mide la temperatura (Te) del equilibrio de la mezcla.

El calor ganado por el agua fría es igual al calor perdido por el agua caliente y el calorímetro:

Donde C es el calor específico del agua (1 cal/g K) y M1 y M2 las masas de agua caliente y fría respectivamente. Estas masas se calcularán a partir de la densidad del agua correspondiente a cada temperatura. Finalmente, el equivalente en agua del calorímetro (K) será:

Para determinar el calor latente del hielo, se pesa el calorímetro con una cierta cantidad de agua (M) a una temperatura superior a la atmosférica (Tc). Se añaden, al calorímetro unos fragmentos de hielo muy picado y se agita hasta que se tenga una temperatura estacionaria (Te). Se pesa de nuevo el calorímetro para obtener la masa del hielo (m). En este caso: calor cedido por el agua y el calorímetro = calor absorbido por el hielo para pasar a líquido + calor absorbido para pasar de la temperatura de fusión (Tf) a Te.

Cambio de Face y Energía Calorífica

Para poder estudiar los procesos físicos o químicos, los investigadores suelen crear sistemas aislados donde es posible someter a la materia a observación controlando diferentes variables que pueden influir en su comportamiento.

Un sistema es cualquier porción del universo aislada en un recipiente inerte para estudiar las variables sobre el contenido del sistema. De acuerdo a las relaciones que se establecen entre un sistema y sus alrededores los sistemas se pueden clasificar en:

• Sistema Abierto: es aquel sistema que intercambia materia y energía con sus alrededores. Un ejemplo de sistema abierto es un líquido colocado en un recipiente abierto a la atmósfera.

• Sistema cerrado: es un sistema que puede recibir o ceder energía, pero no puede intercambiar materia. Un ejemplo de sistema cerrado puede ser un recipiente cerrado al cual se le aplican variaciones de temperatura. El ganará o perderá energía, pero su masa permanecerá constante.

• Sistema aislado: en este tipo de sistema no existe intercambio de energía con sus alrededores. Como ejemplo de este sistemas se encuentran los sistemas al vacío donde se producen reacciones aisladas del medio que las rodea.

Elementos de un sistema: Componentes, fases y entorno. 

• Componentes: en un sistema puede estar presente uno o más componentes. Por ejemplo; un sistema conformado por un componente sería un vaso con aceite. Si se coloca en el mismo recipiente, vinagre, el sistema estará conformado por 2 componentes: aceite y vinagre. Los componentes pueden encontrarse en estado gaseoso, líquido o sólido, en el ejemplo ambos componentes se presentan en estado líquido y conforman 2 fases.

• Las fases son porciones homogéneas de un sistema que pueden diferenciarse físicamente y separarse mecánicamente.

• El entorno de un sistema se refiere a todo aquello que le rodea y que tiene influencia sobre el comportamiento de sus componentes.

Cuando se estudia un sistema se describen sus propiedades o variables de estado. Por ejemplo: si se tienen dos recipientes, uno que contiene 2 litros de agua líquida (l) y otro que contiene 10 g de hielo (s). Se indicarán las variables que permiten que el estado de la materia se mantenga:

                              

          T= 25ºC , Presión = 1 atm, H 2 O =Líquido             T= 0ºC , Presión = 1 atm, H 2 O =Sólida

Cambios de Estado y Energía asociada:

Los cambios de estado de un elemento o sustancia son posibles gracias a la fusión que es el paso de una sustancia sólida a estado líquido. Esto se logra cuando el calor vence, en parte, a las fuerzas de atracción que mantienen unidas las moléculas del sólido, la energía calórica aumenta la velocidad de las moléculas de un sólido haciendo que éstas pierdan su orden inicial.

• La solidificación o congelación: es el proceso inverso de la fusión donde se desprende el calor que permite que la sustancia se solidifique, es decir, donde las moléculas de la sustancia pierden su movimiento encontrándose en un estado de orden casi total y donde el movimiento entre las moléculas es la vibración.

• La Evaporización: es el proceso que permite que una sustancia en estado líquido se convierta en gas.

• La Condensación: es el proceso inverso a la vaporización ya que el gas pasa al estado líquido.

• La sublimación: es el paso del estado sólido al estado gaseoso.

Todos estos procesos traen como consecuencia la transferencia de energía dando lugar a reacciones exotérmicas las cuales liberan calor o reacciones endotérmicas las cuales requieren de calor.

Cambios de Estado

En un sistema es posible mantener diferentes condiciones constantes entre ellas la presión y así observar el comportamiento de una sustancia al aplicar una temperatura determinada. Los ensayos de este tipo han permitido conocer el punto de fusión (p.f.) y el punto de ebullición (p.e.)

El punto de fusión: es la temperatura en que una sustancia puede coexistir en equilibrio en los estados sólido y líquido a una presión constante de 750 mmHg. En el punto de fusión la sustancia puede absorber calor adicional pero la temperatura no aumenta, ya que toda la energía añadida se usa para vencer las fuerzas de atracción que mantienen a las moléculas en sus posiciones fijas en el estado sólido.

El punto de ebullición: es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica. Esa temperatura siempre es la misma para un líquido en particular.

Los sistemas permiten conocer el comportamiento de una sustancia cuando se aplican variaciones de temperatura, estos ensayos son de importancia ya que permiten conocer propiedades útiles de diferentes sustancias las cuales pueden ser utilizadas como refrigerantes por ejemplo.

A continuación se presenta un sistema cerrado para el estudio del agua, para generar una curva de calentamiento:

Si se calienta una cantidad determinada de hielo en un recipiente inicialmente a -20ºC hasta transformarlo totalmente en vapor y se mide la temperatura cada cierto tiempo se obtiene la siguiente gráfica denominada curva de calentamiento:

Una curva similar a la anterior puede obtenerse cuando se sustrae el calor del vapor de agua hasta llevarlo al estado sólido, la curva obtenida se denomina curva de enfriamiento:

Diagrama de Fases: Este diagrama permite ilustrar las relaciones de presión- temperatura entre las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia. Cada sustancia tiene su diagrama de fases característico y se determina experimentalmente. Se representa a continuación el diagrama de fases del agua:

En el diagrama un área representa una fase, una línea representa dos fases en equilibrio y un punto representa una intersección donde las tres fases están en equilibrio. El punto se denomina punto triple y tiene un valor determinado a una temperatura dada.

Equilibrio Térmico

Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico.

Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecerá un flujo de energía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.

La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula

Donde:

• Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde), expresada en calorías.
• m es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos
• C_e es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas. Se expresa en cal / gr º C
• Δt es la variación de temperatura = T_f − T₀. Léase Temperatura final (T_f) menos Temperatura inicial (T₀), y su fórmula es:

Hasta aquí hemos hablado siempre de igualar temperaturas y ello nos lleva a concluir que a los cuerpos no se les puede asignar una cantidad de calor. Lo que realmente tiene sentido son los intercambios de calor que se deben a las diferencias de temperaturas que existen entre los cuerpos que están en contacto.

Definición Termodinámica del Equilibrio Térmico 

Para poder dar una definición más precisa del concepto de equilibrio térmico desde un punto de vista termodinámico es necesario definir algunos conceptos.

Dos sistemas que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor lo que se conoce como superficie diatérmica, se dice que están en contacto térmico.

Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico.

Interpretación microscópica del equilibrio térmico

La Termodinámica proporciona una descripción macroscópica de los sistemas que estudia, sin hacer hipótesis acerca de la estructura microscópica de esos sistemas. Sin embargo, existen otras disciplinas, como la Mecánica Estadística, que estudian los mismos fenómenos de la Termodinámica, pero desde un enfoque microscópico.

En particular, el concepto de equilibrio térmico está ligado al concepto de temperatura al decir que dos sistemas en equilibrio térmico tienen la misma temperatura. Desde un punto de vista microscópico, la temperatura esta asociada a la energía cinética promedio que tienen las partículas que constituyen el sistema, a saber, átomos, moléculas y/o la estructura electrónica de la sustancia que constituye el sistema. Macroscópicamente, esta energía cinética promedio de las partículas de un sistema es lo que en la Termodinámica se llama energía interna, que es una energía que depende casi exclusivamente de la temperatura del sistema. A mayor energía cinética promedio de las partículas que constituyen un sistema, mayor energía interna y, en general, mayor temperatura del sistema.

La situación de dos sistemas en contacto térmico se interpreta microscópicamente como que las partículas de la superficie de interfase de ambos sistemas son capaces de interactuar entre sí. Básicamente se puede ver que, microscópicamente, las partículas del sistema de mayor temperatura (que tienen mayor energía cinética) van a transferir parte de su energía a las partículas del otro sistema. Se encuentra que esta interacción entre los dos sistemas da lugar a que las partículas de los dos sistemas alcancen la misma energía cinética promedio y, por lo tanto, la misma temperatura. Es decir, desde un punto de vista microscópico, se entiende como equilibrio térmico entre dos sistemas que las partículas de los dos sistemas tengan la misma energía cinética promedio.

Desde un punto de vista macroscópico, se dice que los sistemas un estado de equilibrio, bajo las condiciones indicadas en la sección definición termodinámica del equilibrio térmico. En cambio, desde un punto de vista microscópico, el estado de equilibrio se refiere al promedio, ya que los dos sistemas continúan intercambiando energía incluso una vez alcanzado el equilibrio térmico. Sin embargo, la energía cinética individual de una partícula no es estacionaria, sino que es el promedio de la distribución de energías de todas las partículas del sistema lo que no cambia en el tiempo.

De igual manera que para el caso macroscópico, se puede extender el concepto de equilibrio térmico a un único sistema donde, en esa situación de equilibrio, las partículas de dos partes cualesquiera del sistema tienen la misma energía cinética promedio.

Aplicación del concepto de equilibrio térmico: Termometría

Para saber la temperatura de una sustancia o cuerpo, se utiliza un dispositivo que permite determinar su propia temperatura. Tal dispositivo se denomina termómetro. Para determinar la temperatura de un cuerpo, se pone un termómetro en contacto térmico con él hasta que ambos alcanzan el equilibrio térmico. Sabemos que en el equilibrio térmico tanto el cuerpo como el termómetro se encuentran a la misma temperatura. Por tanto, la temperatura que indique el termómetro será también la temperatura del cuerpo en cuestión. Se recalca que, lo que un termómetro indica es su propia temperatura, por esto es importante conocer el concepto de equilibrio térmico.

Curso de Dinámica y Estática

Contenido del curso Fisica

1. Introducción a la física
1. Definición de la Física
2. Historia de la física
2. Unidades y medidas
3. Introducción al cálculo vectorial
1. Definición de un vector
2. Magnitudes escalares y vectoriales
3. Elementos de un Vector
4. Clases de Vectores
1. Vectores Equipolentes
2. Vectores Libres
3. Vectores Fijos
4. Vectores Ligados
5. Vectores Opuestos
6. Vectores Unitarios
7. Vectores Concurrentes
5. Operaciones con Vectores
1. Suma y Resta de Vectores
2. Producto Escalar de Vectores
3. Producto Vectorial de Vectores
6. Ejercicios Resueltos de Vectores
7. Ejercicios Propuestos de Vectores
4. Cinemática
1. Introducción a la Cinemática
2. Movimiento rectilíneo Uniforme (MRU)
1. Ejercicios Resueltos de (MRU)
2. Ejercicios Propuestos de (MRU)
3. Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado(MRUV)
1. Ejercicios Resueltos de (MRUV)
2. Ejercicios Propuestos de (MRUV)
4. Movimiento de Caída Libre
1. Ejercicios Resueltos de Caída Libre
2. Ejercicios Propuestos de Caída Libre
5. Movimiento Relativo
1. Ejercicios Resueltos de Movimiento Relativo
2. Ejercicios Propuestos de Movimiento Relativo
6. Movimiento Parabólico
1. Ejercicios Resueltos de Movimiento parabólico
2. Ejercicios Propuestos de Movimiento parabólico
7. Movimiento Circular Uniforme (MCU)
1. Ejercicios Resueltos de (MCU)
2. Ejercicios Propuestos de (MCU)
8. Movimiento Circular Uniforme Variado (MCUV)
1. Ejercicios Resueltos de (MCUV)
2. Ejercicios Propuestos de (MCUV)

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura (SI: 1 K) de una determinada sustancia, (usando el SI).1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.

La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo «para almacenar calor», y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.

Cálculos de la Capacidad Calorífica

Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:

Donde:

C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado.

 es el calor absorbido por el sistema.

 la variación de temperatura

Se mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/°C).

La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende de la cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea se define además el calor específico o capacidad calorífica específica c a partir de la relación:

donde:

C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistema

c es el calor específico o capacidad calorífica específica

m la masa de sustancia considerada

De las anteriores relaciones es fácil inferir que al aumentar la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.

Calorimetría

La calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de los cambios físicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina calorímetro. La palabra calorimetría deriva del latino "calor". El científico escocés Joseph Black fue el primero en reconocer la distinción entre calor y temperatura, por esto se lo considera el fundador de calorimetría.

Fue mediante calorimetría que Joule calculó el equivalente mecánico del calor demostrando con sus experiencias que 4.18 J de cualquier tipo de energía equivalen a 1 caloría.

La calorimetría indirecta calcula el calor que producen los organismos vivos mediante su producción de dióxido de carbono y de los residuos de nitrógeno (frecuentemente amoníaco en organismos acuáticos o, también, urea en los terrestres). Antoine de Lavoisier indicó en 1780 que la producción de calor puede ser calculada por el consumo de oxígeno de los animales. Naturalmente, el calor generado por los organismos vivos también puede ser medido por calorimetría directa, en la cual el organismo entero es colocado en el interior del calorímetro para hacer las mediciones.

Calorimetro 

El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.

Los calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar cálculos. El equivalente en agua del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual que el calorímetro y que perdería igual calor en las mismas circunstancias. De esta forma, sólo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.

Principios Generales de la Calorimetria 

1. Siempre que entre varios cuerpos haya un intercambio de energía térmica, la cantidad de calor perdido por unos cuerpos es igual a la cantidad de calor ganada por los otros.
2. La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su variación de temperatura. Así, para elevar la temperatura de un cuerpo de 20°C se requiere el doble de cantidad de energía térmica que para elevarla a 10°C.
3. La cantidad de calor absorbida o desprendida por un cuerpo es directamente proporcional a su masa.
4. Cuando varios cuerpos a temperaturas diferentes se ponen en contacto, la energía térmica se desplaza hacia los cuerpos cuya temperatura es más baja. El equilibrio térmico ocurre cuando todos los cuerpos quedan a la misma temperatura.

Unidades de Medida del Calor

Siendo el calor una forma de energía, deben de medirse en las mismas unidades que ésta: joules, ergios, libras*pie ó Btu. Su relación de conversión es:

Sin embargo, en la práctica se manejan otras unidades más adecuadas:

Caloría (c)

Es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1°C. La relación entre calorías y joules es de:

Existe también la Kilocaloría, o sea 1000 calorías (cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 Kg de agua). La Kilocaloría es la unidad en la que se mide el contenido energético de los alimentos y en la práctica se la llama usualmente Caloría, o Gran Caloría (con "C" mayúscula), para diferenciarla de la verdadera caloría (con "c" minúscula) llamada también pequeña caloría.

NOTA: Recordar que la temperatura NO es una medida de la energía térmica total del cuerpo, es solo de su energía promedio. Es por esto que dos cuerpos pueden tener la misma temperatura pero distinta cantidad de energía interna. Ejemplo: Si se quiere hervir 10 litros de agua, se requiere 10 veces más energía que en el caso de un sólo litro, y aunque al final las temeperaturas sean las mismas (temperatura de ebullición del agua) debido a la diferencia de masas el consumo de energía es distinto.

Conductividad Térmica 

El calor se propaga en los materiales según la facilidad que éstos permitan hacerlo. En general, los materiales sólidos son los mejores conductores del calor (especialmente los metales), luego le siguen los líquidos y finalmente los gases, siendo éstos pésimos conductores del calor. A las sustancias que son malos conductores del calor se les llama aislantes térmicos, Ej: granito, madera, cueros, tejidos, etc.

La conductividad térmica de un material se halla por medio de la FÓRMULA DE FOURIER.

Si en una barra del material se tienen dos secciones iguales A1 y A2 (ambas de áreas A) a las temperaturas T1 y T2 respectivamente y separadas entre sí por una distancia d, entonces la cantidad de calor Q que pasa entre las dos secciones en un tiempo dado t, se obtiene por:

De donde "K" es la constante de conductividad térmica que es propia del material. Esta constante se mide en: cal/(m*seg*ºC).

Dilatación Lineal, Superficial y Volumétrica

Dilatación Lineal 

La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo.

Para estudiar este tipo de dilatación, imaginemos una barra metálica de longitud inicial L0 y temperatura θ0.

Si calentamos esa barra hasta que la misma sufra una variación de temperatura Δθ, notaremos que su longitud pasa a ser igual a L (conforme podemos ver en la siguiente figura):

Matemáticamente podemos decir que la dilatación es:

Pero si aumentamos el calentamiento, de forma de doblar la variación de temperatura, o sea, 2Δθ, entonces observaremos que la dilatación será el doble (2 ΔL).

• Podemos concluir que la dilatación es directamente proporcional a la variación de temperatura.
• Imaginemos dos barras del mismo material, pero de longitudes diferentes. Cuando calentamos estas barras, notaremos que la mayor se dilatará más que la menor.
• Podemos concluir que, la dilatación es directamente proporcional al larco inicial de las barras.
• Cuando calentamos igualmente dos barras de igual longitud, pero de materiales diferentes, notaremos que la dilatación será diferentes en las barras.
• Podemos concluir que la dilatación depende del material (sustancia) de la barra.

De los ítems anteriores podemos escribir que la dilatación lineal es:

Donde:

• L0 = longitud inicial.
• L = longitud final.
• ΔL = dilatación (DL > 0) ó contracción (DL < 0)
• Δθ = θ0 – θ (variación de la temperatura)

• α = es una constante de proporcionalidad característica del material que constituye la barra, denominada como coeficiente de dilatación térmica lineal.

De las ecuaciones I y II tendremos:

La ecuación de la longitud final 

L = L0 (1 + α . Δθ)

corresponde a una ecuación de 1º grado y por tanto, su gráfico será una recta inclinada, donde:

L = f (θ) ==> L = L0 (1 + α . Δθ).

Dilatación Superficial 

Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo

Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar una placa metálica de área inicial S0 y temperatura inicial θ0. Si la calentáramos hasta la temperatura final θ, su área pasará a tener un valor final igual a S.

La dilatación superficial ocurre de forma análoga a la de la dilatación lineal; por tanto podemos obtener las siguientes ecuaciones:

Dilatación Volumétrica 

Es aquella en que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación del volumen del cuerpo.

Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar un cubo metálico de volumen inicial V0 y la temperatura inicial θ0. Si lo calentamos hasta la temperatura final, su volumen pasará a tener un valor final igual a V.

La dilatación volumétrica ocurrió de forma análoga a la de la dilatación lineal; por tanto podemos obtener las siguientes ecuaciones: