Conceptos Esenciales de Física: Materia, Gases y Máquinas Simples

Fundamentos de la Materia y la Energía

Estados de Agregación de la Materia

Los estados de agregación de la materia describen cómo las partículas se organizan y se comportan bajo diferentes condiciones de presión y temperatura.

• Sólido: Posee forma propia, volumen propio, no se comprime y tiene una densidad alta.
• Líquido: No tiene forma propia, pero sí volumen propio. Apenas se comprime y su densidad es media.
• Gas: No tiene forma propia ni volumen propio. Es muy comprimible y su densidad es baja.

Teoría Cinético-Molecular (TCM)

La Teoría Cinético-Molecular (TCM) postula que:

• La materia está formada por pequeñas partículas en constante movimiento.
• Al aumentar la vibración de las partículas, aumenta la temperatura del sistema.

Presión

La presión (p) se define como la fuerza aplicada por unidad de superficie:

p = fuerza / superficie

La presión de un gas depende de:

• El número de choques de las partículas contra las paredes del recipiente.
• La energía de esos choques, que está directamente relacionada con la temperatura.

Leyes de los Gases Ideales

Ley de Boyle-Mariotte

Establece que, a temperatura constante, el producto de la presión por el volumen de un gas es constante.

p · V = cte

O, para dos estados diferentes:

p1 · V1 = p2 · V2

Ejemplo: A temperatura constante, ¿qué volumen ocupará un gas a una presión de 1,5 atm cuando el mismo ocupa un volumen de 2 L a presión de 1 atm?

Datos:

• P1 = 1 atm
• V1 = 2 L
• P2 = 1,5 atm

Cálculo:

P1 · V1 = P2 · V2

V2 = (P1 · V1) / P2

V2 = (1 atm · 2 L) / 1,5 atm

V2 = 1,33 L

Ley de Gay-Lussac

Establece que, a volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

P / T = cte

O, para dos estados diferentes:

p1 / t1 = p2 / t2

Ejemplo: Un gas se encuentra a 7 atm y 23°C. ¿Cuál será su presión si el volumen permanece constante y la temperatura aumenta hasta los 60°C?

Datos:

• P1 = 7 atm
• T1 = 23 °C = 296 K
• T2 = 60 °C = 333 K

Cálculo:

7 atm / 296 K = P2 / 333 K

P2 = (7 atm · 333 K) / 296 K

P2 = 7,88 atm

Ley de Charles

Establece que, a presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

V / T = cte

O, para dos estados diferentes:

V1 / T1 = V2 / T2

Ejemplo: 25 litros de un gas se encuentran a 0°C. ¿Cuál será su volumen si la presión permanece constante y la temperatura aumenta hasta los 30°C?

Datos:

• V1 = 25 L
• T1 = 0 °C = 273 K
• T2 = 30 °C = 303 K

Cálculo:

25 L / 273 K = V2 / 303 K

V2 = (25 L · 303 K) / 273 K

V2 = 27,75 L

Conversiones Importantes

• Temperatura: T(K) = T(ºC) + 273
• Temperatura (Fahrenheit): T(ºC) / 100 = (T(ºF) - 32) / 180
• Presión:
  • 1 atm = 101325 Pa
  • 1 atm = 1,01325 bar
  • 760 mm Hg = 1 atm

Máquinas Simples

Palanca

Una palanca es un dispositivo muy sencillo que consiste en una barra rígida que puede girar en torno a un punto determinado, el cual recibe el nombre de punto de apoyo.

Tipos de Palancas

• Palanca de Primer Género: Son aquellas que tienen el punto de apoyo situado entre la potencia y la resistencia.
• Palanca de Segundo Género: Son las que tienen la resistencia situada entre el punto de apoyo y la potencia.

Plano Inclinado

Un plano inclinado es una máquina simple que consiste en una superficie plana que forma un ángulo con la horizontal. Los planos inclinados sirven para subir objetos, haciéndolos rodar o deslizándolos sobre ellos.

Tornillo

Un tornillo es una máquina simple, derivada del plano inclinado, que consiste en un prisma de sección constante, llamado filete o hilo, enrollado de forma helicoidal sobre el exterior de una superficie cilíndrica de manera uniforme y constante. Si el filete está enrollado sobre una superficie cilíndrica.