Principios Fundamentales de Física: Termodinámica, Cinemática y Propiedades de la Materia

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Calor

El calor es una forma de energía en tránsito que se transfiere entre cuerpos o sistemas debido a una diferencia de temperatura. Aunque a menudo se asocia con la energía interna almacenada en los cuerpos, el calor en sí mismo es el proceso de transferencia de esa energía, influenciado por el estado molecular y la estructura del material.

Mecanismos de Transferencia de Calor

El calor se transmite de un lugar a otro de tres maneras diferentes:

• Por Conducción: Es la manera de transferir calor desde una masa de temperatura más elevada a otra de temperatura inferior por contacto directo, principalmente entre cuerpos sólidos en contacto.
• Por Convección: Es un intercambio de calor entre un fluido (aire, líquido o gas) y una masa material que se encuentran a diferentes temperaturas, donde el movimiento del fluido transporta la energía.
• Por Radiación: Es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energía (ejemplo: el calor del Sol).

Temperatura

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas que componen un cuerpo o sistema. Refleja el nivel de agitación térmica de sus moléculas y átomos. A diferencia del calor, la temperatura no depende del tamaño total del cuerpo, sino de la intensidad de la energía térmica por partícula. A mayor temperatura, tendremos una mayor sensación de calor; a menor temperatura, una sensación de frío. Un cuerpo a mayor temperatura tiene la capacidad de transferir más energía térmica.

Las variaciones de temperatura producen, entre sus efectos físicos, la dilatación de los cuerpos. La dilatación de los líquidos es generalmente mayor que la de los sólidos debido a la menor rigidez de sus moléculas.

Equilibrio Térmico

El equilibrio térmico significa que, dados dos cuerpos en contacto con temperaturas diferentes, se producirá el flujo de calor del cuerpo más caliente al más frío hasta que sus temperaturas se igualen. En este punto, no hay transferencia neta de energía térmica entre ellos.

Ley de Fourier (Conducción de Calor)

Para que exista transmisión de calor por conducción, la Ley de Fourier establece que el calor fluirá a través de un medio cuyas moléculas están fijas en sus posiciones, es decir, un medio sólido, como maderas, corchos, acero, plásticos, entre otros. Esta ley cuantifica la tasa de transferencia de calor en función del gradiente de temperatura y las propiedades del material.

Conceptos Fundamentales de Cinemática

Velocidad y Rapidez

La rapidez describe cuán deprisa se desplaza un objeto, siendo una magnitud escalar (por ejemplo: un auto viaja a 60 km/h). La velocidad, en cambio, es una magnitud vectorial que nos indica no solo cuán deprisa se mueve un objeto, sino también en qué dirección y sentido. Es numéricamente igual a la distancia recorrida por el móvil en la unidad de tiempo en una dirección específica (por ejemplo: un auto se desplaza a 60 km/h hacia el norte sobre la Ruta 9, especificando así su velocidad).

Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)

Se denomina Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) porque su trayectoria es una línea recta y uniforme porque su velocidad no varía. Recorre espacios iguales en tiempos iguales. Ejemplo: el movimiento de un ascensor que asciende y desciende sin modificar su velocidad. Dicho movimiento es uniforme y rectilíneo, pues su velocidad se mantiene constante durante todo el tiempo que dura dicho movimiento.

Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV)

En el Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV), la velocidad varía. Pero esta variación a su vez es con un cierto orden, es decir, que cambia un mismo intervalo en una misma cantidad de tiempo, lo que implica una aceleración constante.

Propiedades Térmicas de la Materia

Dilatación Térmica

La mayor parte de los cuerpos aumentan su volumen al aumentar su temperatura; a este efecto se lo denomina dilatación térmica. La dilatación se produce en los tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Si bien todos los materiales experimentan dilatación en cierta medida, algunos, como los metales, el vidrio y el cemento, presentan una dilatación más significativa y predecible, mientras que en otros, como la madera, el papel y ciertos plásticos, la dilatación puede ser menos evidente o más compleja debido a su estructura o composición.

Se denomina dilatación lineal al aumento de la longitud, dilatación superficial al aumento de la superficie y dilatación volumétrica o cúbica al aumento del volumen que sufre un cuerpo por acción del calor.

Dilatación Lineal

Si el cuerpo posee un largo superior al ancho y espesor, por ejemplo, una varilla o un alambre, al someterlo a una fuente de calor sufrirá un aumento de longitud. Se observa una dilatación lineal y depende directamente de las dimensiones iniciales, del tipo de material y de la variación de temperatura.