Fórmulas y Definiciones Clave de la Física: Presión, Densidad, Empuje y Calor Específico

Conceptos Fundamentales de Hidrostática

Presión y Densidad

Presión (P): Es la fuerza ejercida por cada unidad de superficie. Su fórmula general es $P = F/A$.

• Unidad de Presión: El resultado se mide en Newtons por metro cuadrado ($N/m^2$), conocido como Pascal (Pa).
• Definición de Pascal: Es la fuerza ejercida por un newton al aplicarse sobre una superficie de un metro cuadrado.

Densidad ($\rho$ o d): Es la cantidad de masa por cada unidad de volumen. Su fórmula es $d = m/V$.

Presión Hidrostática y Atmosférica

Presión Hidrostática ($P_h$): En un punto situado dentro de un líquido, es el producto de la densidad del líquido, d, por la gravedad del lugar, g, y por la profundidad, h, a la que se encuentra ese punto.

$$P_h = d \cdot g \cdot h$$

Elevador Hidráulico: Principio basado en la ley de Pascal, que permite levantar grandes pesos aplicando fuerzas pequeñas.

Presión Atmosférica ($P_{atm}$): Es la presión que ejerce el aire sobre una determinada superficie en función de su peso.

Presión Atmosférica Normal: Equivale a la presión hidrostática ejercida por una columna de mercurio de 760 mm.

Cálculo de la Presión Atmosférica Normal (a nivel del mar):

$$P_{atm} = \rho_{Hg} \cdot g \cdot h$$

Sustituyendo valores (Densidad del mercurio $\rho_{Hg} \approx 13600 \, kg/m^3$, $g \approx 9,8 \, m/s^2$, $h = 0,76 \, m$):

$$P_{atm} = 13600 \, kg/m^3 \cdot 9,8 \, m/s^2 \cdot 0,76 \, m \approx 101292,8 \, Pa$$

Equivalencias de Presión Atmosférica

$$760 \, mm \, Hg = 101300 \, Pa = 1013 \, hPa$$

El Principio de Arquímedes: Empuje

Empuje (E): Es la fuerza vertical ascendente que experimenta un cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido. Es igual al peso del fluido que ha sido desalojado por el cuerpo sumergido.

Sustituyendo la masa del fluido en función de su densidad ($\rho_{fluido}$) y volumen ($V_{desalojado}$), se obtiene la fórmula del Empuje:

$$E = \rho_{fluido} \cdot V_{desalojado} \cdot g$$

Peso Aparente: El peso del cuerpo sumergido o peso aparente ($P_{ap}$) es el peso real ($P_{real}$) menos el empuje:

$$P_{ap} = P_{real} - E$$

Si el cuerpo se encuentra totalmente sumergido, el volumen del fluido que desaloja coincide con su volumen ($V$). De modo que el peso aparente se puede expresar en función de las densidades ($\rho_{cuerpo}$ y $\rho_{fluido}$):

$$P_{ap} = (\rho_{cuerpo} \cdot V \cdot g) - (\rho_{fluido} \cdot V \cdot g) = (\rho_{cuerpo} - \rho_{fluido}) \cdot V \cdot g$$

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Calor y Temperatura

Calor (Q): Es la energía transferida de un cuerpo a otro cuando ambos están a distinta temperatura. Se mide en julios (J).

• Equivalencia: 1 caloría (cal) = 4,18 J.

Temperatura (T): Es la medida de la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo.

Equilibrio Térmico: Dos cuerpos en contacto a temperatura diferente alcanzan el equilibrio térmico cuando las temperaturas de ambos se igualan.

Caloría (cal): Cantidad de calor necesario para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado Celsius (entre 14,5 ºC y 15,5 ºC).

Transferencia de Calor y Cambios de Estado

Cantidad de Calor Intercambiada (Q): La cantidad de calor intercambiada en un proceso donde hay variación de temperatura ($\Delta T$) se calcula mediante la siguiente fórmula:

$$Q = c \cdot m \cdot \Delta T$$

Calor Específico (c): Es la cantidad de energía necesaria para que un kilogramo de una sustancia eleve su temperatura en un grado Celsius o Kelvin. Se calcula como:

$$c = Q / (m \cdot \Delta T)$$

Calor Latente (L): Es la energía absorbida o desprendida para que 1 kg de sustancia cambie de estado (fase) sin cambiar su temperatura. La fórmula para el calor intercambiado durante un cambio de fase es $Q = L \cdot m$.