Conceptos Fundamentales de Física: Trabajo, Energía y Termodinámica

Conceptos Fundamentales de Física

Trabajo Mecánico

Definición: El trabajo mecánico se define como el producto de la fuerza aplicada sobre un objeto y el desplazamiento que este experimenta en la dirección de la fuerza.

Fórmula: W = F ⋅ Δx ⋅ cos(α)

Energía Cinética

Definición: La energía cinética es la energía que posee un cuerpo en virtud de su movimiento.

Fórmula: E_c = ½ ⋅ m ⋅ v²

Energía Potencial

Energía Potencial Elástica

Definición: Es la energía almacenada en un cuerpo elástico, como un resorte, cuando se deforma.

Fórmula: E_pe = ½ ⋅ k ⋅ Δl²

Energía Potencial Gravitatoria

Definición: Es la energía que posee un cuerpo debido a su posición en un campo gravitatorio.

Fórmula: E_pg = m ⋅ g ⋅ h

Cantidad de Movimiento

Definición: Es una magnitud física que se define como el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad. Indica la resistencia de un cuerpo a cambiar su estado de movimiento.

Fórmula: P = m ⋅ v

Unidad: N⋅s

La cantidad de movimiento de un cuerpo posee la misma dirección y sentido que la velocidad del cuerpo.

Impulso

Definición: Es el cambio en la cantidad de movimiento que experimenta un cuerpo. El impulso puede ser aplicado por un agente externo o interno a un sistema.

Fuerzas Conservativas

Definición: Son fuerzas cuyo trabajo total en un camino cerrado es igual a cero.

Propiedad general: ΔE_m = -W_{fuerza conservativa}

Fuerzas No Conservativas

Definición: Son fuerzas cuyo trabajo total en un camino cerrado es distinto de cero. Existe una variación de energía entre el estado inicial y final.

Fuerza de Rozamiento

La fuerza de rozamiento, cuando actúa, realiza un trabajo negativo sobre los cuerpos cuando se mueven.

Fórmula: W_fr = F_r ⋅ Δx ⋅ cos(α) (cos(180°) = -1)

Sistemas

Sistema

Definición: Es una porción del espacio que aislamos de su entorno para simplificar su estudio.

Ambiente

Definición: Es todo lo que no está incluido en el sistema, pero que puede interactuar con él.

Sistema Cerrado

Definición: No intercambia masa con el ambiente. La masa del sistema permanece constante.

Sistema Abierto

Definición: Permite el intercambio de masa con el ambiente. La masa del sistema es variable.

Sistema Aislado

Definición: No se produce intercambio de masa ni de energía.

Sistema en Equilibrio

Un sistema está en equilibrio si sus propiedades permanecen invariables en el tiempo.

Procesos

Definición: Es el cambio de estado de un sistema desde un estado inicial de equilibrio hasta que alcanza otro estado final de equilibrio.

Ecuación de estado de un gas ideal: P ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T

Constante universal de los gases ideales: R = 0,082 atm ⋅ L / (mol ⋅ K) o 8,31 J / (mol ⋅ K)

Ley Conjunta del Gas Ideal

Fórmula: P₁ ⋅ V₁ / T₁ = P₂ ⋅ V₂ / T₂

Cuando un gas se encuentra en un estado definido P = 1 atm, T = 273 K, se dice que está en condiciones normales de presión y temperatura (CNPT).

Calor

Definición: Es un proceso de intercambio de energía entre dos sistemas debido a la diferencia de temperaturas entre ellos. También se le denomina a la magnitud que mide la cantidad de energía intercambiada por este procedimiento.

Una caloría es la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua pura desde 14,5 °C a 15,5 °C.

Para pasar de °C a K se suma 273.

Primer Principio de la Termodinámica

Establece la conservación de la energía y se expresa como:

Q - W = ΔU

Donde ΔU es el cambio en la energía interna del sistema.

Calor y Trabajo

• Q > 0: El sistema recibe energía mediante calor.
• Q < 0: El sistema cede energía mediante calor.
• W > 0: El sistema se expande.
• W < 0: El sistema se comprime.

Segundo Principio de la Termodinámica

Cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico.

Una máquina térmica que crea su propia energía, contradiciendo al Primer Principio de la Termodinámica, es lo que se denomina un móvil perpetuo de primera especie.

Y una máquina térmica o frigorífica que funciona en contradicción con el Segundo Principio de la Termodinámica, es lo que se llamaría un móvil perpetuo de segunda especie.

Proceso Isobárico

Es aquel proceso termodinámico que ocurre a presión constante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de variables mediante:

ΔQ = ΔU + P ⋅ ΔV

Proceso Isotérmico

Es la evolución reversible de un sistema termodinámico que transcurre a temperatura constante. La compresión o la expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo.

Proceso Isovolumétrico o Isocórico

Un proceso en el cual el volumen del sistema no cambia se llama isovolumétrico o isocórico.

Proceso Isobárico

Si la presión no cambia durante un proceso, se dice que éste es isobárico. Un ejemplo de un proceso isobárico es la ebullición del agua en un recipiente abierto.

Fuerzas Impulsivas

Son fuerzas muy intensas, pero que actúan durante un intervalo de tiempo muy breve.

Energía Potencial

La energía potencial es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo dependiendo de la configuración que tengan en un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre sí.