Estados de agregación de la materia.

 ¿A qué se debe el estado de agregación de la materia?

La materia está formada por pequeñas partículas llamadas átomos, por agrupaciones de éstos llamados moléculas, por átomos o moléculas con carga eléctrica llamados iones o por mezclas de cualquier partícula de las anteriores.

Esquema que muestra la ionización del ácido clorhídrico en agua. En ésta hay átomos de hidrógeno, cloro y oxígeno formando las moléculas de que interaccionan para formar los iones hidronio y cloruro.

Mezcla homogénea (tierra y agua) y mezcla heterogénea (agua y azúcar).

La forma en que las partículas interactúan entre sí, está determinada por la energía cinética que tienen, la cual puede aumentar o disminuir mediante transferencia de energía (trabajo o calor). El resultado de estas interacciones se observa en el estado de agregación que guardan las sustancias que componen.

Principales estados de agregación de la materia.

Dentro de los límites de presión y temperatura en la Tierra, la materia se puede encontrar de forma natural en tres estados de agregación: sólido, líquido y gas. Cada estado depende del promedio de energía cinética que tienen sus partículas.

Cada partícula está separada de las otras dependiendo de la cantidad de energía cinética que tienen.

• En un sólido: las partículas tienen poca energía cinética, por tanto, se encuentran muy "juntas" y pareciera que no se mueven.
• En un líquido: las partículas tienen un movimiento apreciable (mas energía cinética), lo que permite cambiar de posición, pero siempre dentro de un volumen definido.
• En un gas: las partículas tienen una mayor cantidad de energía cinética, suficiente para vencer las fuerzas de cohesión que existen entre ellas y llenar todo el volumen del recibiente en el qu3e se encuentra.

Los cambios de estado son los cambios físicos más importantes que existen en la naturaleza.

• Solidificación.
• Sublimación.
• Condensación (Licuación).
• Fusión (Derretimiento).
• Cristalización (Sublimación inversa).
• Vaporización (Ebullición).

¿Qué factores determinan el estado de agregación de la materia?

La temperatura que tiene una sustancia, en un momento determinado, es proporcional a la energía cinética promedio de sus partículas. Cuando a un fragmento de materia se le ha transferido energía, aumenta la energía cinética de sus partículas y por tanto, se eleva su temperatura. Si el fragmento de materia transfiere energía a otro sistema o a los alrededores, la energía cinética de sus partículas disminuye al igual que su temperatura.

Existen fuerzas de interacción entre las partículas llamadas fuerzas intermoleculares que las mantienen juntas. De inicio, las partículas necesitan energía suficiente para vencerlas fuerzas y cambiar de estado, de igual forma, existe otra fuerza que trata de mantener a las partículas juntas: la presión a la que están sometidas. Cuando aumenta la presión a la que se somete un líquido sobre la superficie de la Tierra (presión atmosférica), la temperatura a la que el líquido bulle para convertirse en gas (temperatura de ebullición) también lo hace. Si por el contrario, la presión atmosférica disminuye, también disminuye la temperatura de ebullición.

 Transferencia de energía mediante trabajo.

La transferencia de energía mediante trabajo se produce cuando se levanta un objeto en dirección contraria al campo gravitatorio de la Tierra o cuando se juntan dos cargas eléctricas del mismo signo. La energía utilizada es ganada por el objeto que levantamos o las cargas eléctricas que acercamos entre sí, sin embargo, tanto el objeto como las cargas eléctricas, liberarán la energía transferida por el trabajo al concluir la fuerza que las mantiene en ese estado (energía potencial). 

Transferencia de energía.

Al desaparecer la fuerza aplicada, el objeto que fue levantado, caerá a su posición original, haciendo un trabajo igual, pero de signo contrario al que se aplicó al inicio. Lo mismo sucede con las cargas eléctricas que se forzaron a estar más cerca una de la otra, de lo que estaban originalmente.

El trabajo positivo o negativo depende de si la fuerza le transfiere energía al objeto o si se la resta. Por ejemplo, el jugador de futbol que lanza la pelota realiza un trabajo positivo y quien la recibe realiza un trabajo negativo al detenerla.

El trabajo modifica la cantidad de energía que poseen los objetos: cuando se hace trabajo sobre un sistema u objeto, se añade energía, por el contrario, cuando el sistema u objeto es el que hace trabajo y "cede" parte de su energía a otro objeto o sistema o a sus alrededores.

🔍Concepto de Trabajo.

El trabajo mecánico es la acción de una fuerza sobre un cuerpo en reposo o movimiento, de modo tal que produzca un desplazamiento en este, proporcional a la energía invertida en la fuerza que lo mueve. El trabajo mecánico es una magnitud escalar, cuya unidad de medida en el SI es el Joule (J). 

w = F * d

Es la cantidad de energía transferida a un cuerpo mediante una fuerza que actúa sobre el y que es paralela a su consecuente desplazamiento.

Si la fuerza aplicada sobre el cuerpo logra un desplazamiento que no es paralelo a su dirección, el ángulo es mayor a 0° y menor a 90°, por tanto, el trabajo será dado por:

w = Fcosፀ * d

Sus características:

• Tiene una MAGNITUD ESCALAR que se mide en JOULES (J)
• Depende directamente de la fuerza que lo provoca, es decir, para que exista trabajo en un objeto debe haberse aplicado una fuerza sobre él a lo largo de una trayectoria.
• Consiste en una actividad mecánica que consume cierta energía.

El sonido es una forma de trabajo mecánico ya que transfiere energía a través de un medio material que cambia de posición continuamente de forma cíclica debido a la perturbación que sufre el medio, como consecuencia de un cambio de presión, este cambio es equivalente al cambio de la fuerza aplicada por unidad de área del medio y hace el sonido se mueva en forma de ondas.

Un altavoz emite ondas longitudinales (con regiones de compresión y
refracción en el aire) que son percibidas por el oído humano como sonido

El trabajo eléctrico se produce a aplicar una diferencia de voltaje entre dos puntos de un circuito y transferir energía a las cargas eléctricas contenidas en él, produciendo su movimiento llamado corriente eléctrica. Las perturbaciones dentro de los campos eléctrico y magnético de un sistema, producen que las partículas con carga eléctrica (como los electrones), se muevan de forma ondulatoria dentro de él.

Ejemplo: Cuando se conecta un dispositivo a una fuente de energía eléctrica (batería), se establece una diferencia de energía potencial o voltaje, que mueve las cargas eléctricas entre los polos de la batería, produce una corriente eléctrica y esta transfiere la energía de su movimiento al dispositivo que al funcionar hace un trabajo.

Vínculo del TRABAJO MECÁNICO con la TERMODINÁMICA.

El trabajo mecánico en el contexto de la termodinámica, se define como la energía transferida a un sistema o desde un sistema, debido a una fuerza que actúa sobre él, causándole un desplazamiento.

Gracias a los experimentos de James Presscott Joule en el siglo XIX, se demostró que el trabajo mecánico se puede convertir directamente en calor, estableciéndose la primera ley de la termodinámica.

Ejemplos:

• Fricción. Al frotar las manos o al encender un fósforo, se produce calor con el movimiento de las manos para frotarlas o al rozar la cabeza del cerillo contra la lija, se realiza un trabajo donde intervienen una fuerza y una distancia, como resultado el trabajo se disipa en forma de calor.
• Motor de auto. La energía química de la gasolina se convierte en energía térmica debido a la combustión, el calor hace que los gases se expandan y empujen los pistones, para realizar un trabajo mecánico que permite que el auto se mueva.
• Sistemas biológicos. Nuestros cuerpos queman calorías (energía térmica) de los alimentos que consumimos, para realizar trabajo mecánico, al correr o caminar.

La energía pertenece al SI y se mide en Joules (J), sin embargo, la caloría pertenece al Sistema Técnico de Unidades y representa la energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. Una caloría equivale aproximadamente a 4.185 J.

La relación entre los Joules y las calorías es importante pues permite comprender por ejemplo, la cantidad de energía que nuestro cuerpo necesita al consumir alimentos: si consumimos 1 caloría, estamos ingiriendo 4.185 J de energía.

Recordando la ley cero de la termodinámica, establece que si dos sistemas diferentes están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces los dos primeros también están en equilibrio entre sí, por tanto, no hay intercambio de energía y el calor no se transfiere entre los sistemas.,

Ejemplos:

• La temperatura ambiente. Si estás en la cocina y quieres un sándwich pero dejas los ingredientes fuera del refrigerador, estos ingredientes que acabas de sacar del refrigerador están más fríos que la temperatura ambiente de la cocina, pero después de un tiempo, el calor se transferirá a ellos y en algún momento alcanzarán el equilibrio térmico con la cocina y estarán en equilibrio térmico entre sí.
• El termómetro. Se basa en el principio de que un cambio de temperatura provoca un cambio en las propiedades físicas de una sustancia, como el volumen de un fluido o la longitud de un sólido. Cuando el termómetro recibe calor, el intercambio de energía eleva la temperatura y dilata el mercurio y se detiene cuando el mercurio alcanza el equilibrio térmico.

¿Cómo percibir la transferencia de energía?

La energía eléctrica puede transformarse en energía luminosa.

La transferencia de energía eléctrica a través de un foco  con bulbo incandescente, se lleva a cabo de la siguiente manera:

1. Conexión a la fuente de energía eléctrica. El foco se conecta a una toma de corriente eléctrica o a una batería para que circule la electricidad a través de él.
2. Paso de corriente eléctrica por el filamento de tungsteno. La corriente eléctrica fluye por el filamento de tungsteno (material resistivo) y la corriente eléctrica produce calor, lo que hace que el filamento se caliente.
3. Emisión de luz. El filamento de tungsteno se calienta hasta alcanzar una temperatura muy alta y provoca que sus átomos emitan la energía absorbida como fotones de luz en el espectro visible. El filamento se encuentra dentro de un bulbo de vidrio sellada al vacío o llena de gas inerte (argón) que no reacciona con el tungsteno (evitando que el filamento pierda su estructura y se fracture dejando de conducir la electricidad).

El resultado final es la producción de luz pero también se produce una cantidad significativa de calor en el proceso, la mayor parte de energía que se transforma en este tipo de focos, se convierte en calor y por tanto, son ineficientes en consumo energético.

La energía eléctrica puede transformarse en energía cinética.

Un motor eléctrico es una máquina con capacidad de transformar la energía eléctrica en energía cinética debido a la acción de los campos magnéticos generados por su bobina, que funciona como un electroimán.

Un electroimán.

🔍Electroimán.

Explicación: La electricidad fluye a través del alambre de cobre de la bobina (solenoide), creando un campo magnético. El alambre de cobre está enrollado alrededor de un núcleo de hierro, por lo que al pasar la corriente eléctrica en el alambre, el cambo magnético producido convierte al núcleo de hierro en un imán artificial y permite enviar una corriente eléctrica a través de otro cable enrollado, colocado dentro del campo magnético de la bobina. La corriente eléctrica que fluye a través del enrolado produce un segundo campo magnético que interactúa con el campo magnético de la bobina y produce una fuerza de tensión que hace girar el rotor del motor. 

 

La energía eléctrica puede transformarse en energía calorífica.

🔍Cómo funciona una plancha para ropa.

En una plancha, tostador, cafetera y otros aparatos eléctricos de una casa, la energía potencial se transforma en calor. Esto sucede debido a que el material conductor siempre opone resistencia al paso de la carga eléctrica a través de él, se resiste al movimiento de los electrones o corriente eléctrica y esta resistencia tiene como consecuencia que el material del que está fabricado el conductor, aumento su temperatura.

El control de la temperatura se ejerce mediante un interruptor de la corriente sensible a ella, llamada termostato y este funciona gracias a un termopar o bimetálico.

Propagación de calor: Conducción, convección y radiación.

 Conducción, convección y radiación.

En física, un objeto es una entidad que tiene existencia física (materia y energía) y que se puede percibir a través de los sentidos. Un objeto puede ser parte de un sistema pero no necesariamente todo sistema está compuesto por objetos.

La transferencia de energía es el cambio que tiene la energía de una forma a otra, es la transmisión de energía de un objeto o sistema a otro objeto o sistema, incluso entre las partes de un mismo sistema. Por ejemplo, cuando un autobús quema gasolina, la energía que tenía la gasolina se transforma en calor (otra forma de energía).

Calor

Aumento de energía cinética de las partículas
de una sustancia y por tanto, de su temperatura.

La energía puede transferirse como CALOR (por conducción, convección o radiación, incluyendo la radiación electromagnética), trabajo mecánico o trabajo eléctrico

El calor es una forma en que la energía se transfiere entre dos cuerpos o sistemas, o bien entre partes de un mismo sistema cuando están a diferentes temperaturas. La temperatura de los cuerpos es una medida relacionada con la energía cinética de las partículas que los conforman. 

La energía térmica es la parte transferible de la energía cinética que contienen las partículas de un cuerpo, por tanto, se puede afirmar que ningún cuerpo puede transferir la totalidad de la energía cinética de sus partículas.

En termodinámica, la transferencia de energía térmica sucede cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos y se establece un flujo de calor desde un objeto de mayor temperatura hacia el de menor temperatura, ya sea por conducción, convección o radiación.

🔍Conducción, convección y radiación.

CONDUCCIÓN.

CONDUCCIÓN Se refiere a la transferencia (propagación) de energía (como calor), directamente entre dos sistemas a diferente temperatura, cuando tienen contacto entre ellos, sin intercambio de materia.

Esta transferencia ocurre a nivel molecular cuando los átomos o moléculas más calientes (a mayor temperatura), transfieren parte de su energía (calor) a los átomos o moléculas más frías (a menor temperatura)., por contacto directo. Por ejemplo, los metales son buenos conductores de calor, gracias a los electrones libres que poseen.

CONVECCIÓN.

Cuando se calienta algún fluido, líquido o gas, se produce la dilatación térmica, consiste en el aumento de volumen por unidad de masa que adquiere el fluido y que en consecuencia produce que su densidad disminuya. Cuando esto sucede dentro de un sistema que está absorbiendo energía, las partículas comienzan a moverse dentro de él formando un flujo denominado corriente de convección.

La corriente de convección hace que las partículas tengan contacto entre sí, propiciando un intercambio de energía y el cambio de densidad continuo (la densidad de las partículas que se calientan, disminuye y de las que se enfrían, aumentan) y esto mantiene las partículas en movimiento.

En resumen, la CONVECCIÓN es la propagación de calor que se produce mediante el movimiento de un fluido (líquido o gas).

Por ejemplo: al hervir agua en una olla, la masa que está al fondo, cercana a la flama, se calienta  y expande, con ello, su densidad disminuye y el fluido asciende, así las porciones más frías se hunden para calentarse también, generándose una corriente de convección que va calentando toda el agua de la olla.

RADIACIÓN.

Los fotones son las partículas portadoras de la energía electromagnética. Cada fotón posee una cantidad específica de energía, determinada por su frecuencia (a mayor frecuencia, mayor energía). Esta energía se aprecia como luz visible, rayos ultravioleta, rayos X, microondas, ondas de radio o televisión, etc.

Cuando las partículas (átomos o moléculas), absorben energía, cambian a estados de mayor energía. Al volver a un estado de energía más bajo y estable, las partículas liberan la energía absorbida en forma de fotones y estos, transfieren a los alrededores la energía que absorbieron inicialmente, este proceso es llamado RADIACIÓN.

Cuando se transfiere energía a la materia, por medio de radiación y ésta emite menos energía de la que absorbe, aumenta su temperatura y por ello, la radiación es una forma de transferencia de calor. Los fotones emitidos por la fuente radiante impactan sobre la superficie de un material y transfieren la energía que contienen a las partículas de dicha superficie, que al no emitir radiación, acumulan la energía en forma de energía cinética y aumentan su temperatura. Este efecto se observa con la radiación solar cuando calienta la superficie de la Tierra.

La radiación puede viajar a través del espacio vacío al no necesitar de un medio material para transmitirse y es el principal medio de transferencia de energía en el universo a través de ondas electromagnéticas.

🔍Conducción, convección y radiación (definiciones y diferencias).

CONDUCTIVIDAD CALORÍFICA es la capacidad que tiene un material para conducir o transmitir calor. Al calentarse un material, sus moléculas aumentan su energía cinética y por tanto, incrementan su agitación y son capaces de compartir ese extra de energía sin ocasionar movimientos globales de la materia. Entre mayor sea la conductividad térmica de un material, mejor conductor del calor resultará y cuanto menor sea aquel, el material será más aislante. Algunos ejemplos de conductividad calorífica son: los metales (oro, plomo, cobre, titanio, aluminio, bronce, hierro), agua, alcohol, glicerina, diamante, tierra húmeda.

CAPACIDAD TÉRMICA ESPECÍFICA (CALOR ESPECÍFICO) es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa (1 gramo) de una sustancia en un grado Celsius (o Kelvin). La energía transferida como calor necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia, es proporcional a su masa y al aumento de temperatura requerido. La constante de proporcionalidad de este proceso se denomina capacidad calorífica específica y se expresa en unidades de energía por unidad de masa y por unidad termométrica.

Q es la energía transferida

C es la capacidad específica de la sustancia.

m es la masa de la sustancia

⃤  T es la diferencia entre las temperaturas final e inicial del proceso

🔍Conductividad calorífica y capacidad térmica específica.

Las sustancias están compuestas por diferentes elementos en composiciones variables y sus estructuras moleculares son distintas, por tanto, absorben energía en diferentes proporciones. Se necesitan diferentes cantidades de energía para que masas iguales de dos sustancias diferentes, cambien su temperatura en una unidad termométrica (tienes diferentes capacidades caloríficas específicas).

Capacidad calorífica específica de algunos materiales.

🔍Capacidad calorífica específica.

Calor y temperatura.

 ¿Qué es la temperatura?

Termología.

Parte de la física que estudia el calor  y sus efectos sobre la materia.

Temperatura. 

Magnitud física que determina, junto con la presión y el volumen, el estado de un sistema. Medida de la energía cinética, de los átomos o moléculas que constituyen a la materia y la podemos medir con un termómetro, sus diferentes escalas son Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Es también, una medida de la cantidad de energía interna que un sistema puede transferir como calor a otro de menor temperatura; es proporcional a la energía cinética promedio de las partículas de un sistema (energía interna). 

🔍La temperatura.

En la primera parte (izquierda), se muestran las dos regiones que componen este sistema y que inicialmente tienen diferente temperatura, alta y baja, representadas por el movimiento, más rápido y más lento respectivamente, de sus partículas. Las flechas indican la cantidad de movimiento de las partículas, que produce la transferencia de calor de la región de alta temperatura a la de baja temperatura. En la segunda parte (derecha), se ilustra un sistema en equilibrio térmico, donde no hay transferencia neta de calor, reflejado en el movimiento uniforme de las partículas en todo el sistema. Se demuestra visualmente que en el equilibrio térmico, las partículas en todas las regiones tienen la misma energía promedio y por tanto, la misma temperatura.

Cuando la energía de las partículas de un sistema aumenta porque se les ha transferido energía de las partículas de otro, con el que podría tener contacto directo o no, aumenta su temperatura, como consecuencia, las partículas que han transferido su energía hacia otras que tenían menor cantidad, disminuyen su energía y por tanto, disminuyen su temperatura. Este proceso termina cuando ambos sistemas llegan a un punto en el que  tienen la misma temperatura, llamado equilibrio térmico.

Transferencia de calor. 

• Cuando dos sistemas tienen contacto entre sí, el calor se transfiere por conducción.

• Cuando dos sistemas están en contacto con un fluido en común (como el aire), el fluido se mueve transportando la energía de un sistema a otro, el calor se transfiere por convección.

• La energía puede transmitirse mediante ondas electromagnéticas en el vacío pues no necesita de un medio material para su propagación, el calor se transfiere por radiación.

Calor. 

Aumento o disminución de la temperatura que posee un cuerpo, su unidad es la caloría y se puede medir con un calorímetro. Transferencia de energía entre dos sistemas que están a diferente temperatura, cuando la temperatura de ambos sistemas es la misma, no existe transferencia de energía (no hay calor). 

¿Cómo se mide la temperatura?

Existen diversas maneras de medir la temperatura basadas en medir propiedades físicas que dependen de la cantidad de energía interna de las sustancias, como el volumen. El volumen de una sustancia cambia con la temperatura y las sustancias aumentan su volumen (se dilatan) cuando aumenta su temperatura y lo disminuyen (se comprimen), cuando ésta disminuye, a este fenómeno se le llama dilatación térmica, lo ves aplicado en los termómetros de mercurio (cuando la temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el calor).

La dilatación térmica se aplica en la fabricación de termómetros construidos con cintas de dos metales diferentes (bimetálicos o termopares), donde la diferencia en la dilatación de la longitud de las cintas al calentarse provoca que el armado de ambas se doble o estire.
Entre otras propiedades que se utilizan para medir la temperatura están la presión y la conductividad eléctrica, de echo, la densidad fue la primera propiedad utilizada para fabricar un termómetro.

Escalas absolutas. Aquellas donde se toma como punto de comparación el cero absoluto. Ejemplos: Kelvin y Rankine.

Escalas relativas. Aquellas donde se tienen en cuenta los puntos de ebullición y congelación de agua. Ejemplo: Centígrados. Farenheit.

Escalas termométricas. 

• Fahrenheit. Toma como punto superior, la temperatura del cuerpo humano (96°) y como punto inferior la temperatura de una mezcla de agua, sal y cloruro de amonio (0°). Con esta escala, las temperaturas de ebullición y congelación del agua son 212° y 32° respectivamente.

• Celsius. Antes llamada centígrada. En esta escala la temperatura del agua de ebullición es de 100° y la del agua congelada es de 0°, ambas a nivel del mar.

El instrumento más común para medir la temperatura es el termómetro de vidrio, el cual contiene mercurio u otro líquido, los cuales al aumentar la temperatura, se expanden y permite determinar la temperatura al medir el volumen del líquido.

Kelvin o escala absoluta. Relacionada con la energía cinética promedio de las partículas de un sistema, si la energía aumenta o disminuye pasa lo mismo con la temperatura. ¿Existirá algún punto donde las partículas no tengan energía cinética y su temperatura sea cero? William Thomson dedujo que esta temperatura existía y corresponde a temperaturas negativas en escalas Celsius y Fahrenheit, y por debajo de  este valor no existía ningún otro. Por tanto, el cero se propuso como valor absoluto en la escala Kelvin y equivale a -273.15 °C o -459.67 °F.

🔍Diferencia entre temperatura y calor.

La temperatura y el calor se miden de forma diferente en cuanto a sus aparatos y unidades: 

	Temperatura	Calor
Concepto	Magnitud escalar referida a la noción de calor medible mediante un termómetro, relacionada con la energía interna de un sistema termodinámica, definida por el principio cero de la termodinámica.	Tipo de energía que se produce por la vibración de moléculas que provoca la elevación de la temperatura, la dilatación de cuerpos, la fundición de sólidos y la evaporación de líquidos.
Instrumento de medición	Termómetro. Dispositivo que utiliza propiedades físicas, resistencia eléctrica o radiación, para cuantificar el calor en cuerpos, sustancias o el ambiente.	Calorímetro, el cual cuantifica la cantidad de calor transferido hacia o desde una sustancia a medida que cambia su temperatura.
Unidades de medida	Grados Celsius o Centígrados (°C), Kelvin (°K) o Fahrenheit (°F)	Joule (J) y caloría (cal) 1 cal = 4186 J

Termodinámica.

Rama de la física que estudia y describe cómo la energía se transforma de una forma a otra y  cómo afecta a la materia. La termodinámica ha estado ligada a la física y a la ingeniería desde su concepción.

Durante el siglo XVIII, la termodinámica comenzó a tomar forma impulsada por los avances en la tecnología de la máquina de vapor, desarrollada por Thomas Newcomen y mejorada por James Watt, que convertía el calor en trabajo mecánico, planteándose preguntas fundamentales sobre la naturaleza del calor y la eficiencia energética. Paralelamente, la teoría del calórico, que consideraba el calor como un fluido invisible, dominaba el pensamiento científico. Figuras como Joseph Black contribuyeron con investigaciones clave sobre el calor específico y los cambios de fase, como la fusión del hielo, ampliando la comprensión del calor y su comportamiento.

El siglo XIX fue un periodo de avances cruciales en la termodinámica, marcado por la formulación de sus leyes fundamentales. Sadi Carnot, en su obra "Reflexiones sobre la Potencia Motriz del Fuego" de 1824, analizó la eficiencia de las máquinas térmicas, sentando las bases para la segunda ley de la termodinámica. Rudolf Clausius y  William Thomson (Lord Kelvin) fueron pioneros en la determinación de la primera y segunda leyes de la termodinámica, con Clausius introduciendo el concepto de entropía en 1865.

Paralelamente, los experimentos de James Joule y otros relacionaron el trabajo mecánico con el calor, conduciendo también a la primera ley de la termodinámica, conocida como la ley de la conservación de la energía. Además, el desarrollo de la teoría cinética de los gases con las aportaciones de James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann vinculó las propiedades macroscópicas de éstos con el comportamiento de sus partículas microscópicas, enriqueciendo la comprensión de la materia desde una perspectiva molecular.

Ley cero de la termodinámica.

Cuando la energía se transfiere en forma de calor, siempre fluye del cuerpo o a partir del sistema de mayor temperatura al cuerpo o parte del sistema de menor temperatura.

Los cubos que están en contacto entre sí, eventualmente alcanzarán el equilibrio térmico
y se encontrarán a la misma temperatura.

Por ejemplo, si agregas unos cuantos hielos al agua contenida en un vaso, el líquido se enfriará a la par que los hielos se calentarán. En este caso, el calor fluirá del líquido a los sólidos. Al final, los hielos se habrán derretido cambiando de estado de agregación, sumándose al volumen del liquido que había originalmente. En este  punto, ya no habrá flujo de calor, pues no habrá diferencias de temperatura dentro del sistema: se  habrá llegado al equilibrio térmico.

🔍Equilibrio térmico.

Con lo anterior se demuestra que, si existen dos cuerpos en equilibrio térmico de forma independiente con un tercero, también estarán en equilibrio térmico entre sí. Este principio se denomina Ley cero de la termodinámica.

🔍Ley cero de la termodinámica.

El equilibrio térmico también se presenta a nivel microscópico, si se considera que la temperatura de los objetos está relacionado con la energía cinética de sus partículas, donde a mayor energía cinética de las partículas, mayor temperatura del sistema; por tanto, el equilibrio térmico se alcanza cuando la energía cinética de dos cuerpos se iguala.

Algunas actividades cotidianas pueden provocar un consumo innecesario de energía, que podría ahorrarse, por ejemplo, mantener la puerta abierta en un refrigerador con puerta transparente mientras eliges lo que vas a consumir, permite que el aire caliente del exterior aumente la temperatura del interior, lo cual tendrá que regularse mediante un consumo adicional de energía eléctrica. Lo ideal es elegir y, posteriormente, abrir.

Donde se puede observar el equilibrio térmico:

• Cuando entras a tu aula de clases después de un descanso, en un día soleado, y la puerta y ventanas permanecieron cerradas, percibes el calor del aire inmediatamente pero luego de un tiempo, y con todos los estudiantes dentro del salón, sus cuerpos intercambian calor con el aire y entran en equilibrio térmico con él, así que dejan de percibir la diferencia de temperatura.
• Los alimentos dentro de un refrigerador, están en equilibrio térmico respecto del aire frio entre ellos, así que todos comparten la misma temperatura.

Fuerza y energía mecánica.

Fuerza.

¿Qué es la fuerza?

FUERZA: Magnitud capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un objeto o partícula y se mide en Newtons (N).

El N (Newton) es la cantidad de fuerza aplicada durante  un segundo a una masa de un kilogramo para que adquiera la velocidad de un metro por segundo.

Una fuerza:

• Describe la intensidad de las interacciones entre los objetos.
• Tiene estrecha relación con la energía.
• Está compuesta por una magnitud y una dirección.
• Se representa mediante un vector.
• Es una magnitud vectorial, no escalar.

Para poder definir o representar una fuerza, se utilizan vectores (segmento de una línea recta en un espacio vectorial) y cada vector requiere de una magnitud (intensidad de la fuerza y se representa mediante la longitud de la flecha), dirección (señala la línea de acción del vector, o bien, el ángulo en el que se aplica la fuerza respecto de un eje) y sentido (indica hacia donde se aplica la fuerza).

Algunos tipos de fuerza:

• Fuerza de fricción. Es la que se opone al cambio de movimiento de los cuerpos, ejerciendo una resistencia a modificar el estado de reposo, o de movimiento. Esta fuerza siembre actúa en dirección contraria a la fuerza aplicada y se manifiesta como estática o cinética.
• Fuerza gravitatoria. Es la fuerza que ejerce la masa de los cuerpos sobre los objetos cercanos, atrayéndolos hacia sí. Esta fuerza es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
• Fuerza electromagnética. Fuerza de atracción y repulsión que se genera por la interacción de los campos electromagnéticos. Combina fuerzas eléctricas (cargas en reposo) y magnéticas (cargas en movimiento), siendo esencial para la estructura atómica, el enlace químico y fenómenos cotidianos como la luz.
• Fuerza de contacto. Fuerza que se ejerce a partir del contacto físico directo entre un cuerpo y otro, regido por las Leyes de Newton. Puede ser continua (empujar) o momentánea (un impacto) y se divide generalmente en la fuerza normal (perpendicular) y la fuerza de rozamiento (paralela).
• Fuerza a distancia. Fuerza que puede ejercerse sin contacto físico alguno entre los cuerpos, actuando a través del espacio como la gravitatoria, la eléctrica y la magnética.
• Fuerza nuclear fuerte. Fuerza que mantiene los núcleos de los átomos estables, conservando juntos a neutrones y protones. Mantiene unidas a las partículas subatómicas para formar partículas subatómicas más grandes.
• Fuerza nuclear débil. Fuerza responsable de la desintegración radiactiva, capaz de realizar cambios en la materia subatómica, con un alcance menor que las fuerzas nucleares fuertes. Es crucial para la desintegración radiactiva y la fusión nuclear en estrellas como el Sol.

Cuando un clavo es golpeado por un martillo, la energía se transforma de energía potencial a energía cinética para convertirse en trabajo. El martillo tiene energía potencial debido a su posición y al trabajo que se ha realizado para levantarlo. La energía se transformará cuando se deje caer el martillo.

La energía puede provenir de diferentes fuentes como el Sol, el manto de la Tierra, el viento, el agua, entre otras, de las que es importante conocer sus características particulares, para así, elegir la que mejor se ajuste a la necesidad que hay que satisfacer.

Energía mecánica, cinética y potencial.

La energía mecánica es aquella que permite que todo el universo se mueva y se conforma por la energía cinética y la energía potencial. Estas energías están relacionadas al movimiento y a la posición de los cuerpos dentro de un campo de fuerzas.

Para desplazar un cuerpo una distancia determinada es necesario ejercer una fuerza, cuya magnitud dependerá de la masa del cuerpo y de la aceleración deseada, esta fuerza provocará que el cuerpo cambie de velocidad y se desplace (se mueva). Al final, se habrá realizado un trabajo sobre el cuerpo, proporcional a la energía transferida sobre él, es decir, la energía aplicada se transforma en energía cinética para que el cuerpo se mueva.

🔍¿Qué es la energía cinética? 

La energía cinética de un cuerpo que se mueve a una velocidad constante se expresa matemáticamente:

Cuanto más grande sea un cuerpo y más rápido se esté moviendo, mayor será su energía cinética.

🔍¿Qué es la energía potencial gravitacional?

La energía potencial de un cuerpo se refiere a la energía vinculada a su posición dentro de un campo. Esta forma de energía puede transformarse de manera inmediata en otras, como la energía cinética y se categoriza según su origen en gravitatoria, elástica, química, entre otras.

La energía potencial gravitatoria se expresa matemáticamente:

🔍¿Qué es la energía mecánica?

La suma de las energías cinética y potencial, dan como resultado la energía mecánica y se expresa matemáticamente:

Por tanto, un cuerpo que se encuentra estático, a cierta altura sobre e piso, tendrá una cantidad de energía mecánica, compuesta sólo por energía potencial pues su energía cinética es cero. En el momento que e cuerpo deja de estar estático porque comienza a caer, su energía potencial se comienza a transformar en energía cinética.

A cada instante, debido a la aceleración del campo gravitatorio, más energía potencial se habrá convertido en energía cinética. La velocidad del cuerpo aumentará continuamente hasta que toda la energía potencial del cuerpo se haya transformado en energía cinética. En ese momento, la energía mecánica del cuerpo seguirá siendo la misma, pero estará compuesta solamente por su energía cinética, pues su energía potencial al haber llegado al piso y su altura es cero con respecto al suelo, será también cero. Esto sucede debido a que la energía se conserva de acuerdo a la ley de la conservación de la energía y es congruente con la primera ley de la termodinámica.

MOVIMIENTO.

🔍¿Qué es el movimiento?

🔍¿Qué es movimiento, trayectoria, distancia y desplazamiento?

🔍Velocidad, rapidez y aceleración.

Distancia. 

Es la longitud total del camino recorrido.

Desplazamiento.

Es la longitud entre la posición inicial y final del objeto.

Posición.

Ubicación específica de un objeto en el espacio en un momento dado, definida mediante un sistema de coordenadas en relación con un punto de referencia (origen).

Rapidez.

Nos indica a qué tasa se produce el cambio de posición de un objeto con respecto al tiempo. 

Velocidad.

Indica, a qué tasa se produce el cambio de posición de un objeto con respecto al tiempo, incluyendo la dirección del movimiento.

El movimiento macroscópico se sujeta a las leyes de la mecánica clásica, establecidas en las leyes de Isaac Newton:

Primera ley.

Llamada ley de la inercia. Un objeto permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza externa actúe sobre él.

Segunda ley.

La fuerza neta aplicada a un objeto es igual al cambio de su momentum (cantidad de movimiento) por unidad de tiempo.

F = m * a

Tercera ley. 

Por cada acción hay una reacción de igual magnitud, pero en sentido opuesto.

Movimiento en una y dos dimensiones.

Movimiento en una dimensión.

Implica que las partículas se mueven a lo largo de una línea recta y pueden moverse en una sola dirección, en cualquiera de dos sentidos, opuestos entre sí, sobre la misma línea recta. Las variables importantes son la posición, la velocidad (puede ser constante o cambiar -aceleración-), la aceleración y el tiempo; la dirección del movimiento es fija.

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Movimiento en dos dimensiones.

Las partículas se mueven en un plano, pueden moverse en dos direcciones diferentes (como en el movimiento parabólico donde el objeto se mueve simultáneamente de forma horizontal y vertical). En este movimiento se consideran dos componentes que actúan al mismo tiempo e involucran vectores para describir la magnitud y la dirección del movimiento.

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Cantidad de movimiento de un cuerpo.

Cuando un cuerpo se mueve, adquiere una propiedad llamada cantidad de movimiento o momentum y se puede calcular:

🔍Conservación del momento lineal.

"En un sistema cerrado y aislado, la cantidad de movimiento total, permanece constante antes y después de cualquier interacción"

La energía que tiene un cuerpo en movimiento (energía cinética), puede transferirse a un cuerpo estático mediante el contacto directo o colisión; una parte de esa energía se transfiere al aire circundante en el momento del choque, produciendo un sonido, fricción, aumento de temperatura, etc. Estas transferencias de energía pueden ser tan pequeñas que llegan a ser nulas y se les llama choques elásticos. Al final, la energía cinética se habrá repartido entre los cuerpos que colisionan, pero la cantidad de esta energía no cambia, por tanto, se dice que se conserva la energía. 

En los choques inelásticos una parte significativa de la energía cinética se transforma en otras formas de energía como en la deformación de los cuerpos y la utilizada para aumentar la temperatura.

Independientemente si un choque es elástico o inelástico, la cantidad total momentum del sistema, se conserva siempre que no actúen fuerzas externas. 

🔍Concepto de Potencia.