Conceptos Fundamentales de Física: Energía, Fuerza, Calor y Propiedades de la Materia

Conceptos Fundamentales de la Física

1. Energía

La energía es una magnitud que mide la capacidad de un cuerpo o sistema para producir cambios en sí mismo o en otros.

Formas de Energía:

• Química: Se obtiene de las reacciones químicas.
• Radiante: Se transporta mediante ondas electromagnéticas (ej. luz, calor del sol).
• Térmica: Es la energía interna de un cuerpo, asociada al movimiento aleatorio de sus partículas y proporcional a su temperatura.
• Eléctrica: Asociada a las cargas eléctricas y su movimiento.
• Nuclear: Se obtiene de las reacciones nucleares (fisión o fusión).

2. Energía Mecánica

La energía mecánica es la energía que posee un cuerpo debido a su estado de movimiento o posición. Es la suma de la Energía Cinética (Ec) y la Energía Potencial (Ep).

2.1. Energía Cinética (Ec)

Es la energía que tiene un cuerpo por estar en movimiento (por tener velocidad).

3. Diferencia entre Masa y Peso

• Masa: Es la cantidad de materia que contiene un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el kilogramo (kg).
• Peso: Es la fuerza con la que la gravedad actúa sobre un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el newton (N). (La aceleración de la gravedad 'g' en la superficie terrestre es aproximadamente 9,8 m/s²).

4. Fuerza

La fuerza es una magnitud vectorial que mide la interacción entre dos cuerpos, ya sea por contacto o a distancia. Esta interacción puede producir un cambio en su estado de movimiento o una deformación. La unidad de fuerza en el Sistema Internacional (S.I.) es el newton (N).

5. Clasificación de los Cuerpos según su Deformación

• Rígidos: Son cuerpos que no se deforman perceptiblemente bajo la aplicación de una fuerza.
• Plásticos: Son cuerpos que, al aplicar una fuerza, se deforman permanentemente y no recuperan su forma original al cesar la fuerza.
• Elásticos: Son cuerpos que, al aplicar una fuerza, se deforman, pero recuperan su forma original una vez que la fuerza deja de actuar.

Estos cuerpos elásticos, dentro de ciertos límites, siguen la Ley de Hooke. Esta ley establece que la fuerza necesaria para estirar o comprimir un muelle (o un material elástico) es directamente proporcional a la deformación producida.

6. Calor y Temperatura

El calor es una forma de energía en tránsito que se transfiere entre cuerpos o sistemas debido a una diferencia de temperatura. El calor puede modificar las características de la materia, como su estado o temperatura.

Equilibrio Térmico

Cuando dos cuerpos a diferente temperatura entran en contacto, alcanzan el equilibrio térmico al igualar sus temperaturas. La transferencia de calor siempre se produce del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura.

Fenómenos Térmicos:

• Dilatación: Fenómeno por el cual un cuerpo aumenta su tamaño (volumen o longitud) debido a un incremento de temperatura.
• Contracción: Fenómeno por el cual un cuerpo disminuye su tamaño (volumen o longitud) debido a un descenso de temperatura.

Unidades de Medida de Temperatura:

La temperatura se puede medir en diferentes escalas:

• Celsius (°C)
• Kelvin (K)
• Fahrenheit (°F)

Conversión de Temperaturas:

Para convertir de grados Celsius (°C) a Kelvin (K), se utiliza la fórmula: K = °C + 273.15. Para la conversión inversa, se resta.

7. Formas de Transferir el Calor

El calor puede transferirse de un lugar a otro de tres maneras principales:

• Conducción:

  Es la transferencia de calor que ocurre principalmente en sólidos, donde las partículas del cuerpo más caliente vibran más rápido y transmiten esa energía a las partículas adyacentes del cuerpo más frío, sin que haya un desplazamiento neto de materia. Según la velocidad a la que se transfiere el calor, los materiales se clasifican en:

  • Conductores: Materiales que transfieren el calor rápidamente (ej. cobre, metales).
  • Aislantes: Materiales que transfieren el calor lentamente (ej. madera, aire, plásticos).

• Radiación:

  Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, sin necesidad de un medio material. Cuanto mayor es la temperatura de un cuerpo, mayor es la radiación emitida (ej. calor del sol, de una estufa).

• Convección:

  Es la transferencia de calor que ocurre en fluidos (líquidos y gases) mediante el movimiento de las partículas calientes, que se desplazan y transportan la energía. Este proceso crea corrientes de convección (ej. ebullición del agua, calefacción por aire).