Calor y temperatura

Cuando calentamos algún objeto sabemos que su temperatura aumenta, no obstante, es usual que confundamos los términos temperatura y calor en la vida cotidiana, y aunque éstos tienen relación entre sí, sus significados son muy diferentes.

Calor Temperatura
¿Qué es? Es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo. Es la medida de la energía del movimiento molecular en un cuerpo.
Comportamiento La energía se intercambia entre un sistema y sus alrededores debido a la diferencia de temperatura. La temperatura aumenta conforme aumenta el movimiento o los choques entre las moléculas.
Dependencia Depende de la velocidad, cantidad y tamaño de las partículas. No depende de la velocidad, cantidad y tamaño de las partículas.
Unidades
  • Calorías (cal)
  • Joule (J)
  • Ergio (erg)
  • Grado Celsius (°C)
  • Grado Fahrenheit (°F)
  • Kelvin (K)
Instrumentos de medición Calorímetro

Termómetro

Ejemplos
  • Al servir té caliente, el agua transmite su calor a la taza.
  • Al sujetar un trozo de chocolate en la palma de la mano, éste empieza a derretirse por la transferencia de calor corporal al chocolate.
  • La temperatura para que el agua hierva es de 100 °C.
  • La temperatura corporal promedio es de 36,5 °C.
    La temperatura del ambiente está entre los 20 a 25 °C.

 

Rapidez y velocidad

Tanto la rapidez como la velocidad son dos magnitudes cinemáticas que a menudo se confunden. Ambas están relacionadas con la distancia recorrida o el desplazamiento efectuado, magnitudes que frecuentemente se usan como sinónimo, pero son diferentes. 

Rapidez Velocidad
Tipo de magnitud Magnitud escalar. Magnitud vectorial.
¿Qué relaciona? Distancia recorrida con el tiempo. Desplazamiento (cambio de posición) con el tiempo.
Considera la dirección del movimiento No tiene en cuenta la dirección del movimiento. Tiene en cuenta la dirección del movimiento.
Unidades En el Sistema Internacional la unidad de medida es m/s. En el Sistema Internacional la unidad de medida es m/s.
¿Depende de la dirección? No. Sí.
Fórmula v = \frac{d}{t}

 

Donde:

d = distancia

t = tiempo

\overrightarrow{v} = \frac{\overrightarrow{d}}{t}

 

Donde:

d = desplazamiento

t = tiempo

Newton y Einstein

Los físicos Isaac Newton y Albert Einstein fueron dos de los científicos más destacados e importantes de toda la historia de la humanidad, pues sus descubrimientos y ecuaciones formuladas revolucionaron la forma de ver y entender nuestro universo. Tan determinantes fueron sus conocimientos y paciencia, que sin ellos nuestra vida cotidiana sería muy distinta a como la conocemos.

Newton Einstein
Nombre completo Isaac Newton. Albert Einstein.
Fecha de nacimiento 4 de enero de 1643. 14 de marzo de 1879.
Fecha de defunción 31 de marzo de 1727 (84 años). 18 de abril de 1955 (76 años).
Nacionalidad Británica. Alemana (1879 – 1896).

Sin nacionalidad (1896 – 1901).

Suiza (1901 – 1955).

Austrohúngara (1911 – 1912).

Alemana (1918 – 1933).

Estadounidense (1940 – 1955).

Profesión Físico, alquimista, matemático, inventor y teólogo. Físico, profesor y escritor.
Aporte a la ciencia más destacado Ley de gravitación universal. Teoría de la relatividad.
Ecuación creada más representativa Fórmula de la ley de la gravedad:

 

{\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}}

Equivalencia entre la masa y la energía:

 

{\displaystyle E=mc^{2}\,}

Otros aportes importantes
  • Leyes de Newton o leyes del movimiento.
  • Teorema binomial.
  • Teoría corpuscular de la luz.
  • Desarrollo del cálculo diferencial e integral.
  • Desarrollo del cálculo infinitesimal.
  • Desarrollo del efecto fotoeléctrico.
  • Constante de Planck-Einstein.
  • Formulación de la equivalencia entre la masa y la energía.
  • Ecuaciones del campo de Einstein.
  • Teoría del campo unificado.
Perspectiva sobre la gravedad Describió la gravedad como una fuerza de atracción que ocurre entre cuerpos con masa. Sin embargo, sus cálculos eran erróneos en presencia de cuerpos supermasivos. Los cálculos realizados para explicar su ley, aunque incompletos, aún son fundamentales en la ciencia y tecnología contemporáneas. Describió la gravedad como la aceleración causada por la distorsión que un cuerpo con masa causa en el espacio-tiempo. Esta visión completó y complementó la ley de la gravedad planteada por Newton, pues con ella pudo explicar, entre otras cosas, el comportamiento de los cuerpos supermasivos.
Frases célebres
  • “Lo que sabemos es una gota de agua; lo que ignoramos es el océano”.
  • “La naturaleza se complace con la simplicidad. Y la naturaleza no es ninguna tonta”.
  • “Platón es mi amigo, Aristóteles es mi amigo, pero mi mejor amigo es la verdad”.
  • “Si yo he visto más allá, es porque logré pararme sobre hombros de gigantes”.
  • “Hay dos cosas que son infinitas: la estupidez humana y el universo; y no estoy seguro de lo segundo”.
  • “La imaginación es más importante que el conocimiento”.
  • “Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad”.
  • “Dios no juega a los dados con el universo”.

 

Lentes divergentes y lentes convergentes

Las lentes son dispositivos ópticos que permiten el paso de los rayos de luz y la desvían. Estos objetos son transparentes y por lo general están fabricados de vidrio o de cristal. Según el tipo de desviación pueden clasificarse en lentes convergentes y lentes divergentes.

Lente divergente Lente convergente
Otros nombres
  • Lente cóncava.
  • Lente negativa.
  • Lente convexa.
  • Lente positiva.
¿Qué hace con los rayos de luz? Separa hacia varios puntos los rayos de luz que le llegan. Concentra en un punto los rayos de luz que le llegan.
¿Qué hace con las imágenes? Reduce el tamaño de las imágenes. Amplía el tamaño de las imágenes.
Usos comunes
  • Lentes correctivos.
  • Telescopios.
  • Cámaras fotográficas.
  • Mirillas de las puertas.
  • Lupas.
  • Lentes correctivos.
  • Telescopios.
  • Binoculares.
  • Cámaras fotográficas.
  • Telescopios.
¿Cómo es la parte media? Más delgada que la de la lente convergente. Más gruesa que la de la lente divergente.
Representación

 

Luz y sonido

Una onda es la propagación de una vibración, también llamada perturbación, originada en un foco emisor. Puede transmitirse a través del espacio u otro medio capaz de propagarla. Tanto la luz como el sonido son fenómenos ondulatorios, y aunque tienen mucho en común, tienen algunas características diferentes.

Luz Sonido
¿Es una onda? Sí. Sí.
Tipo de onda
  • Según el medio en el que se propaga es electromagnética.
  • Según el movimiento de las partículas es transversal.

 

  • Según el medio en el que se propaga es mecánica.
  • Según el movimiento de las partículas es longitudinal.
Medio de propagación No es requerido. Viaja en el vacío. Es requerido un medio material.
Velocidad de propagación 300.000 km/s (en el aire o en el vacío). 340 m/s (en el aire).
Espectro no perceptible
  • Infrarojo.
  • Ultravioleta.
  • Infrasonido.
  • Ultrasonido.
¿Se comporta como partícula? Sí. No.
Fenómenos relacionados
  • Reflexión.
  • Refracción.
  • Difracción.
  • Reflexión.
  • Refracción.
  • Difracción.
Características Color.

Penumbra.

Sombra.

 

Volumen.

Tono.

Frecuencia.

Calidad.

Intensidad.

Reflexión y refracción

Las ondas suelen cambiar su comportamiento cuando se encuentran con un obstáculo en su recorrido. La superficie que separa los dos medios es la interfaz, y justo allí las ondas pueden pasar de un medio a otro si cambian la dirección de su movimiento o si bordean el obstáculo, lo logran gracias a fenómenos como la reflexión, refracción y difracción.

Reflexión Refracción
¿Qué es? Cambio de dirección del movimiento de una onda. Cambio de dirección del movimiento de una onda.
¿Cuando ocurre? Cuando la onda choca con un obstáculo. Cuando la onda pasa de un material a otro.
Elementos:

1. Ondas incidentes

Es el frente de ondas que inciden sobre el obstáculo. Es el frente de ondas que se propagan en el primer medio.
Elementos:

2. Ángulo de incidencia (i)

Es el ángulo que forma el rayo incidente con dirección determinada por la normal del obstáculo. Es el ángulo que forma el rayo incidente con la normal a la interfaz entre los medios materiales.
Elementos:

3. Ondas resultantes

Llamada onda reflejada, es el frente de ondas que se aleja del obstáculo. Llamada onda refractada, es el frente de ondas que se propagan en el segundo medio.
Elementos:

4. Ángulos resultantes

Llamado ángulo de reflexión (r), es el ángulo que forma el rayo reflejado con la dirección determinada por la normal del obstáculo. Llamado ángulo de refracción (r), es el ángulo que forma el rayo refractado con la normal de la interfaz.
Representación
Ejemplo

El reflejo de un paisaje sobre el agua se debe al rebote de la luz sobre la superficie que no puede atravesar.

Al introducir un lápiz dentro de un vaso pareciera que éste se quebrara, sucede porque la luz se desvía al cambiar de medio.

 

MRU y MRUV

Los movimientos rectilíneos se caracterizan por tener una trayectoria en forma de línea recta respecto al observador y son el tipo de movimiento más sencillo en mecánica. Pueden ser uniformes, designados bajo el acrónimo MRU; o uniformemente variados, conocidos por el acrónimo MRUV.

Movimiento rectilíneo uniforme (MRU) Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV)
Trayectoria Línea recta. Línea recta.
Velocidad Constante. Variada. Puede ser acelerada y retardada.
Ecuación de velocidad \overrightarrow{V} = \frac{\Delta\overrightarrow{X}}{\Delta t}

 

Donde:

ΔX: desplazamiento.

Δt: intervalo de tiempo.

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA)

\overrightarrow{V} = \overrightarrow{V_{0}} + a.t

 

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUR)

\overrightarrow{V} = \overrightarrow{V_{0}} - a.t

Aceleración Nula. Constante. Puede ser positiva o negativa.
Ecuación de aceleración a = 0 a = \frac{V_{f} - V_{0}}{t}
Desplazamiento Puede ser positivo o negativo. Puede ser positivo o negativo.
Ecuación de desplazamiento X = \overrightarrow{V}.t

 

Donde:

V: velocidad

t: tiempo

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA)

X = V_{0}.t + (0,5)at^{2}

 

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUR)

X = V_{0}.t - (0,5)at^{2}

 

Primera, segunda y tercera ley de la termodinámica

La termodinámica es una rama de la física que estudia la interacción del calor y otras manifestaciones de energía a nivel macroscópico. Dentro de esta disciplina existen leyes o principios que tratan  de definir cómo tienen lugar las transformaciones de energía según un sistema con restricciones implícitas.

Primera ley Segunda ley Tercera ley
Postulado por: Nicolas Léonard Sadi Carnot, Rudolf Clausius y Lord Kelvin. Marcos Favela, Clapeyron, Clausius, Lord Kelvin, Ludwig Boltzmann y Max Planck. Walther Nernst.
Enunciado “El cambio en la energía interna de un sistema cerrado, \Delta U, será igual a la energía agregada al sistema mediante calentamiento, menos el trabajo efectuado por el sistema sobre los alrededores”. “La entropía total de cualquier sistema más la de sus alrededores aumenta como resultado de cualquier proceso natural”. “La entropía tiende a un valor constante mínimo cuando la temperatura tiende al cero absoluto. Para un elemento puro, este valor mínimo es cero, pero para todas las demás sustancia no es menor que cero, y posiblemente sea mayor”.
Fórmula \Delta U = Q - W

 

Donde:

Q; calor neto agregado al sistema.

W: trabajo neto realizado por el sistema.

dS \geq \frac{\delta Q}{T}

 

Donde:

S: entropía

Q: calor transferido al sistema.

T: temperatura de equilibrio.

\Delta S=\sum \frac{\delta Q}{T} = 0

 

Donde:

S: entropía.

Q: calor transferido al sistema.

T: temperatura de equilibrio.

Otros nombres Primer principio de la termodinámica y Principio termodinámico de la conservación de energía. Segundo principio de la termodinámica. Tercer principio de la termodinámica.
Ejemplos
  • Cuando un motor quema combustible, transforma la energía almacenada dentro de los enlaces químicos del combustible en trabajo mecánico y calor.
  • Cuando una persona corre convierte la energía que obtuvo de los alimentos en el trabajo necesario para correr, otra parte se convierte en el calor que eleva la temperatura del cuerpo.
  • Cuando una taza de café se deja sobre la mesa se enfriará conforme pasa el tiempo porque queda en equilibrio térmico con el entorno.
  • Cuando una persona está en un lugar cerra con muchas personas tiende a sudar, este sudor se vuelve más desordenado y se transfiere en forma de calor al aire.
  • Cuando se congela un alimento, así esté muy frío, sus átomos siempre estarán en movimiento.
  • Los superfluidos existen a muy bajas temperaturas puesto que la materia pierde la fricción interna entre sus moléculas, es decir, su viscosidad. El helio es la única sustancia que a temperaturas cercanas al cero absoluto es líquido.

 

Punto de fusión y punto de ebullición

La materia tiene propiedades características y no características. Las primeras son particulares para cada sustancia ya que dependen de la naturaleza del átomo que la constituye, por lo que permiten identificar sustancias. Entre las propiedades características de la materia están el punto de fusión y el punto de ebullición.

Punto de fusión Punto de ebullición
¿Qué es? Temperatura a la cual una sustancia cambia de estado sólido a líquido. Temperatura a la cual una sustancia cambia de estado líquido a gaseoso.
Condición Presión = 1 atm. Presión = 1 atm.
Tipo de magnitud Constante física. Constante física.
Fases en equilibrio Sólida y líquida. Líquido y gaseoso.
¿Qué sucede durante el equilibrio? La temperatura permanece constante a pesar de que el tiempo de calentamiento aumenta. La temperatura permanece constante a pesar de que el tiempo de calentamiento aumenta.
¿De qué depende? Tipo de enlace químico, polaridad e intensidad de las fuerzas de atracción intermolecualres. Principalmente de la presión atmosférica. También influye el tipo de enlace, polaridad e intensidad de las fuerzas de atracción intermolecualres.
En sustancias covalentes Bajo. Bajo.
En sustancias iónicas Muy alto. Muy alto.
¿Cómo determinarlo? Los aparatos más usados son:

  • Tubo de Thiele.
  • Aparato Fisher-Jhons.
  • Aparato Melt-Temp.
Los métodos más usados son:

  • Método por destilación.
  • Método de Siwoloboff.

 

Representación gráfica temperatura/tiempo
Ejemplo del proceso
  • Derretimiento de un hielo.
  • Derretimiento de una vela.
  • Fundición del hierro.
  • Hervir agua para espagueti.
  • Cocinar una sopa.
  • Hacer café.
En algunas sustancias Agua: 0 °C

Mercurio: – 38,87 °C

Etanol: – 117,3 °C

Cobre: 1.083 °C

Hierro: 1.535 °C

Agua: 100 °C

Mercurio: 356,58 °C

Etanol: 64,96 °C

Cobre: 2.595 °C

Hierro: 3.000 °C

 

Corriente continua y corriente alterna

La corriente eléctrica es el desplazamiento ordenado de cargas eléctricas a través de un conductor. Según el sentido, ésta puede ser continua o alterna. Ambas son muy usadas e indispensables para el funcionamiento de artefactos electrónicos y del alumbrado público.

Corriente continua Corriente alterna
Abreviación DC (direct current). AC (alternating current).
Dirección del flujo de electrones Una sola dirección constante en el tiempo. Varía, cambia continuamente y no es constante en el tiempo.
Voltaje Constante. Cambios periódicos.
Polaridad Tiene polaridad (positivo o negativo). No tiene polaridad.
Frecuencia Siempre será igual a 0. Cerca de 50 a 60 Hz.
Fuente Baterías, electroquímicos y celdas fotovoltaicas. Alternadores.
Pérdida La transmisión de DC genera pérdidas mayores a la de AC. Para largas distancias habrá pérdida de corriente. La pérdida en la transmisión de AC es menor que la de DC. Este tipo de corriente es apta para recorrer largas distancias.
Ventajas
  • Puede almacenarse en baterías.
  • Puede reducirse su voltaje a niveles muy bajos para ser usado en dispositivos electrónicos.
  • Fácil transformación.
  • Facilidad de transporte a larga distancia.
  • Fácil y económico manejo cambio en los niveles de voltaje.
Aplicación En los dispositivos electrónicos y digitales. En los alumbrados públicos y viviendas.
Conversión De DC a AC se usan rectificadores y diodos semiconductores. De AC a DC se usan diodos, capacitores y reguladores.
Forma representativa