Conceptos Esenciales de Física: Mecánica, Energía y Termodinámica

Mecánica Clásica: Leyes y Conceptos Fundamentales

Leyes de Newton del Movimiento

Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia)

La Primera Ley de Newton, también conocida como Ley de la Inercia, indica que todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si no actúa ninguna fuerza neta sobre él o si la fuerza neta es nula.

Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)

La Segunda Ley de Newton establece una relación directa entre la fuerza neta que se aplica a un cuerpo y la aceleración que este adquiere, siendo la aceleración directamente proporcional a la fuerza neta e inversamente proporcional a la masa del cuerpo (F=ma).

Tercera Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción)

La Tercera Ley de Newton postula que si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este segundo cuerpo produce sobre el primero otra fuerza de igual magnitud pero de sentido contrario.

Conceptos de Fuerza y Sistemas

Fuerza Neta

La fuerza neta es el resultado de la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto.

Sistema de Referencia

Un sistema de referencia es un marco desde el cual se observa el movimiento. Se dice que un cuerpo está en reposo con respecto a otro si no se mueve en relación con él dentro de este sistema.

Fuerzas Coplanares

Las fuerzas coplanares son aquellas que se ubican sobre un mismo plano, definido por dos ejes de referencia que son perpendiculares entre sí.

Fuerzas Concurrentes

Las fuerzas concurrentes son aquellas cuyas líneas de acción se interceptan en un mismo punto del plano. Esto implica que las fuerzas concurrentes deben ser coplanares.

Trabajo, Energía y Potencia

Trabajo

El trabajo (W) es un proceso de transferencia de energía mediante el cual se produce un cambio de posición de uno o varios cuerpos debido a la aplicación de una fuerza.

Componentes del Trabajo

El trabajo se define por la interacción de dos componentes principales: la fuerza aplicada y el desplazamiento resultante en la dirección de la fuerza.

Potencia

La potencia (P) es la rapidez con la que se realiza un trabajo. Sus unidades en el Sistema Internacional son Joules por segundo (J/s), lo que equivale a Watts (W).

Energía Mecánica Total

La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Al aplicar una fuerza sobre un cuerpo, el trabajo realizado se convierte en energía, la cual puede manifestarse de diversas formas. La energía mecánica total de un sistema es la suma de su energía cinética y su energía potencial.

Tipos de Energía

Cuando se realiza un trabajo sobre un cuerpo, se transfiere cierta cantidad de energía que se manifiesta de diversas maneras. La energía asociada al movimiento de un cuerpo se denomina energía cinética.

Fuerzas Conservativas

Las fuerzas conservativas son aquellas en las que el trabajo realizado por la fuerza sobre una partícula es independiente de la trayectoria seguida por la partícula, dependiendo solo de las posiciones inicial y final.

Sistema de Energía Mecánica

Un sistema de energía mecánica es aquel que analiza los cuerpos que no intercambian energía con su entorno mediante radiación o calor, es decir, donde solo actúan fuerzas conservativas.

Teorema del Trabajo y la Energía Mecánica

El Teorema del Trabajo y la Energía Mecánica establece que el trabajo neto realizado por todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía mecánica total.

Energía Cinética

La energía cinética (Ec o K) es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento.

Movimiento y Elasticidad

Ley de Hooke

La Ley de Hooke establece que la fuerza (F) necesaria para estirar o comprimir un resorte es directamente proporcional a la distancia (x) que se estira o comprime desde su posición de equilibrio, es decir, F = kx, donde 'k' es la constante elástica del resorte. La relación mencionada (Fg/x) se refiere a la constante elástica.

Cantidad de Movimiento Lineal (Momento Lineal)

La cantidad de movimiento lineal (o momento lineal) de un cuerpo es una medida de su inercia en movimiento. Cuanto mayor sea la velocidad o la masa de un cuerpo, más difícil será detenerlo, lo cual se relaciona directamente con su cantidad de movimiento.

Definición de Cantidad de Movimiento Lineal

La cantidad de movimiento lineal (p) se expresa como el producto de la masa (m) de un cuerpo y su velocidad (v), es decir, p = mv. Se deriva conjuntamente de la velocidad y la cantidad de materia (masa) del objeto.

Termodinámica: Principios y Fenómenos Térmicos

¿Qué es la Termodinámica?

La Termodinámica es la rama de la física que estudia las relaciones entre el calor y otras formas de energía, así como la transformación del calor en trabajo mecánico y viceversa.

Leyes Fundamentales de la Termodinámica

Las leyes fundamentales de la Termodinámica son:

• Ley Cero de la Termodinámica: Establece el concepto de equilibrio térmico.
• Primera Ley de la Termodinámica (Principio de Conservación de la Energía): Afirma que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
• Segunda Ley de la Termodinámica: Describe la dirección de los procesos termodinámicos y el concepto de entropía, explicando el movimiento de los átomos y moléculas.

La "ley de gases ideales" es una ecuación de estado, no una ley fundamental de la termodinámica en el mismo sentido que las otras tres.

Conceptos Térmicos Clave

Equilibrio Térmico

El equilibrio térmico se alcanza cuando dos o más cuerpos en contacto térmico alcanzan la misma temperatura y no hay transferencia neta de calor entre ellos. Consiste en que, cuando un cuerpo caliente y uno frío se ponen en contacto, la temperatura del cuerpo caliente disminuye y la del frío aumenta hasta que ambos alcanzan una temperatura común.

Calor

El calor (Q) es la transferencia espontánea de energía térmica desde un cuerpo con mayor temperatura hacia uno con menor temperatura. Es una forma de energía en tránsito.

Máquinas Térmicas

Máquinas Térmicas: Combustión Interna y Externa

Las máquinas de combustión interna son aquellas en las que la combustión del combustible ocurre dentro de la propia máquina, como los motores de automóviles, aviones y cohetes. Las máquinas de combustión externa son aquellas en las que la combustión ocurre fuera de la máquina, y el calor generado se transfiere a un fluido de trabajo que luego impulsa la máquina, como las turbinas de vapor y las locomotoras de vapor.

Escalas de Temperatura

Escala Kelvin (K)

La escala Kelvin (K) es la escala termodinámica de temperatura más empleada en la ciencia. Su cero se define como el cero absoluto de temperatura (-273.15 °C), punto en el que las partículas no tienen energía térmica.

Escala Fahrenheit (°F)

La escala Fahrenheit (°F) fue propuesta por Daniel Gabriel Fahrenheit. En esta escala, el punto de congelación del agua se fijó en 32 °F y el punto de ebullición en 212 °F, lo que resulta en un intervalo de 180 grados entre ambos puntos.

Escala Celsius (°C)

La escala Celsius (°C), también denominada escala centígrada, mide la temperatura en grados Celsius. Sus puntos de referencia correspondientes a la fusión (congelación) y ebullición del agua a presión atmosférica estándar son 0 °C y 100 °C, respectivamente.

Escala Absoluta (Kelvin)

La escala absoluta, o Kelvin, es la escala más empleada en contextos científicos y se construye con base en la definición de temperatura relacionada con el movimiento promedio de las moléculas. Es una escala absoluta porque su punto cero (0 K) representa la ausencia total de energía térmica.