Fundamentos de Física: Conceptos Clave de Fluidos, Termodinámica y Gases Ideales

Unidades de Medida Fundamentales

A continuación, se presenta una tabla con las unidades de medida para diversas magnitudes físicas:

Conceptos Físicos Esenciales

Exploramos las definiciones de algunas de las propiedades y fenómenos físicos más importantes:

• Masa

  Es la propiedad de un fluido que se mide por su resistencia a un cambio de movimiento.

• Peso

  Fuerza con que el cuerpo es atraído por la acción de la gravedad.

• Trabajo

  Es la energía necesaria para desplazar un cuerpo.

• Potencia

  Cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo.

• Presión Atmosférica

  La presión atmosférica normal del aire tiene un valor de 1,013 bar a nivel del mar.

• Vacío

  Estado de un fluido cuya presión es inferior a la de la atmósfera.

• Fuerza

  Presión sobre una superficie. F = P × S

Propiedades Fundamentales de los Fluidos

Los fluidos son agregaciones de moléculas con características distintivas:

• Densidad

  Magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo. ρ = m / V

• Volumen Específico

  Volumen que ocupa 1 kg de su masa. v = V / m = 1 / ρ

• Viscosidad

  Resistencia que oponen las moléculas de un fluido a deslizarse unas sobre otras.

• Compresibilidad

  Relación entre los cambios de volumen y la presión a que está sometido un fluido.

• Tensión Superficial

  Pequeñas fuerzas de tensión en la interfase entre un líquido y el aire.

Mecánica de Fluidos

La Mecánica de Fluidos es la rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos. Se divide en:

• La Estática de Fluidos estudia los fluidos en reposo.
• La Dinámica de Fluidos estudia los fluidos en movimiento.

Energía de un Fluido

La energía total de un fluido en movimiento consta de varios componentes:

• Energía Cinética

  Energía debida a la velocidad que posee un fluido.

• Energía Potencial Gravitacional

  Energía debida a la altitud que un fluido posee.

• Energía de Flujo

  Energía que un fluido contiene debido a la presión que tiene.

Tipos de Flujo

Según su desplazamiento, los flujos pueden ser:

• Flujo Laminar

  La estructura se caracteriza por el movimiento de las partículas en forma de láminas o capas paralelas.

• Flujo Turbulento

  Los movimientos de las partículas son aleatorios e irregulares.

• Flujo de Transición

  Cuando el flujo se encuentra entre las dos etapas anteriores (laminar y turbulento).

Termodinámica y Leyes de los Gases

Estados de la Materia

Los estados fundamentales de la materia se definen por la organización de sus partículas:

• Sólido

  Las posiciones relativas de los átomos o moléculas son fijas, lo que les confiere una forma y volumen definidos.

• Gas

  Las fuerzas intermoleculares o interatómicas de una sustancia son tan pequeñas que no adoptan ni forma ni volumen fijo, ocupando todo el espacio disponible.

Cambios de Fase

Los procesos de transición entre los estados de la materia incluyen:

• Sólido a gas: Sublimación
• Sólido a líquido: Fusión
• Líquido a sólido: Solidificación
• Líquido a gas: Vaporización
• Gas a líquido: Condensación
• Gas a sólido: Cristalización

Procesos Termodinámicos Importantes

En termodinámica, se estudian diversos procesos según las variables que se mantienen constantes:

• Procesos Isotérmicos

  La temperatura permanece constante (T = Cte).

• Procesos Isobáricos

  La presión permanece constante (P = Cte).

• Procesos Isócoros

  El volumen permanece constante (V = Cte).

• Procesos Adiabáticos

  No se produce transferencia de calor con el entorno (Q = 0).

Tipos de Sistemas Termodinámicos

Los sistemas termodinámicos se clasifican según su interacción con el entorno:

• Sistemas Aislados

  No hay transferencia de masa o energía con el entorno.

• Sistemas Cerrados

  No transfieren masa, pero sí energía con el entorno.

• Sistemas Abiertos

  Transfieren masa y energía con su entorno.

Leyes de los Gases Ideales

Estas leyes describen el comportamiento de los gases ideales bajo diferentes condiciones:

• Ley de Boyle

  A temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta.

  P × V = Cte

  P₁ × V₁ = P₂ × V₂

• Ley de Charles

  A presión constante, el volumen ocupado por una masa de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

  V / T = K

  V₁ / T₁ = V₂ / T₂

• Ley de Gay-Lussac

  A volumen constante, la presión y la temperatura son directamente proporcionales.

  P / T = K

  P₁ / T₁ = P₂ / T₂