Termodinámica y Electrostática: Conceptos Fundamentales

Termodinámica

1) ¿Qué es el **calor**? Es el flujo de energía de un sistema a otro, debido a la diferencia de temperatura entre ambos.

2) ¿Qué es la **temperatura**? Es una medida relacionada con el promedio de la energía cinética asociada al movimiento de las partículas que componen un material.

3) ¿En qué formas se transfiere el **calor**? **Conducción**, **convección** y **radiación**.

4) ¿Qué es la **termodinámica**? Es la rama de la física que estudia los procesos en los que se transfiere energía.

5) ¿Qué es la **dilatación**? Es el cambio de tamaño de un cuerpo por el efecto del cambio en su temperatura.

Equilibrio Termodinámico

Es aquel en el que las propiedades macroscópicas[1] (presión, volumen y temperatura) de 2 sistemas que entran en contacto, adquieren valores iguales y constantes respecto al tiempo.

[1] Que se ve a simple vista sin ayuda de microscopio.

Leyes de la Termodinámica

**Ley cero de la termodinámica.** Si dos sistemas están por separado en equilibrio con un tercero, entonces también deben estar en equilibrio entre ellos.

**Primera Ley de la Termodinámica.** La variación de la energía interna de un sistema es igual al calor transferido al sistema más el trabajo realizado sobre el sistema.

**Segunda Ley de la Termodinámica.**

Dice que en un proceso natural, el calor siempre se transfiere de un cuerpo con mayor temperatura a uno de menor temperatura y nunca a la inversa, hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

Si se quisiera hacer lo contrario, tendría que ser a través de un proceso artificial con la intervención de un trabajo. Por ej. La sal se disuelve en un recipiente de agua caliente de manera natural, pero no se puede extraer la sal mezclada en agua sin la intervención de un trabajo (proceso irreversible).

**Tercera Ley de la Termodinámica.**

Dice que es imposible alcanzar la temperatura del cero absoluto en un número finito de procesos. Es posible acercarse indefinidamente, pero nunca llegar a él.

**Cero absoluto:** Es la menor temperatura teóricamente alcanzable posible. Corresponde a -273.15oC (0o en la escala Kelvin).

Los átomos y moléculas de un objeto en cero absoluto tienen el menor movimiento posible por lo que no pueden perder más energía de movimiento con lo que no pueden transferir calor a otro objeto.

Escalas de temperatura.

Las más conocidas son Celsius y Fahrenheit. En la escala Celsius se eligieron como puntos de calibración el punto de congelación y de ebullición del agua.

El termómetro se pone en contacto con una mezcla de agua con hielo y después de alcanzar el equilibrio térmico se marca la altura a la que llega. Y se asigna el valor de 0oC. Después lo mismo para agua hirviendo y la diferencia que es un rango lineal se divide en 100 partes iguales representando cada una de ellas un grado Celsius.

Capacidad calorífica.

Es un índice que especifica la cantidad de calor transmitido cuando un cuerpo sufre un gradiente de temperatura. Se representa con la letra C y se define como la razón entre el calor suministrado a un objeto y su incremento de temperatura ΔT. C=Q/ ΔT. Se mide en J/oK ó J/oC.

Procesos termodinámicos.

  • Proceso isobárico. Es cuando la presión del gas dentro de un recipiente es constante. Ebullición del agua recipiente abierto.
  • Proceso isocórico. Es cuando el trabajo neto realizado en un proceso termodinámico es igual a cero.
  • Proceso Isotérmico. Es cuando la temperatura no cambia (permanece constante) habiendo cambios en la presión y volumen.
  • Proceso adiabático. Es cuando un recipiente que contiene a un gas no permite intercambio de calor entre el sistema y sus alrededores pudiendo cambiar tanto la presión, temperatura y volumen.

Electrostática

Carga eléctrica: Es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción o repulsión entre ellas.

Campo eléctrico: Es una propiedad del espacio mediante la cual “se propaga” la interacción entre cargas. Una región del espacio donde existe una perturbación tal que a cada punto de dicha región le podemos asignar una magnitud vectorial, llamada intensidad de campo eléctrico E.

Potencial eléctrico: Es el trabajo por unidad de carga realizado en contra de la fuerza eléctrica necesaria para mover una carga positiva “q” desde el infinito hasta el punto “A”.

Capacitancia: o capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica.

También es una medida de la cantidad de la energía eléctrica almacenada para un potencial eléctrico dado. Ejemplo (condensador).

Carga Eléctrica y sus Propiedades

Propiedades:

  1. Pueden ser positivas o negativas
  2. Las cargas eléctricas de signo distinto se atraen y la de signo igual se repelen.
  3. La carga eléctrica esta cuantizada, es decir, existe en múltiplos enteros de la carga del electrón.

Carga eléctrica = número entero * carga del eléctrica

  1. La carga eléctrica siempre se conserva en los sistemas.

Ley de Coulomb

La fuerza electrostática entre 2 cargas eléctricas puntuales y estacionarias q1 y q2 es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa, y su dirección se determina con la recta que los une.

Campo eléctrico.- Se dice que existe un campo eléctrico en una región de espacio en la que una carga eléctrica experimenta una fuerza eléctrica. Esto se estableció mediante la experimentación Gauss en donde observó que si existe una fuerza eléctrica, existe un campo eléctrico.

Propiedades del Campo Eléctrico

(Repaso) Ley de Gauss: Establece que el número neto de líneas del campo eléctrico que cruza cualquier superficie cerrada en dirección hacia fuera es numéricamente igual a la carga total neta dentro de esa superficie.

Capacitores con Dieléctrico

Es un elemento eléctrico con 2 terminales conductoras que está conformado por dos placas que almacenan cargas eléctricas y un elemento no conductor que las separa.

Rigidez dieléctrica.- de un material es la intensidad del campo eléctrico en la que el material deja de ser un aislante y se convierte en un conductor.

Potencial Eléctrico

Se define como el trabajo por unidad de carga positiva que realizan fuerzas eléctricas para mover una pequeña carga de prueba desde el punto de mayor potencial al de menor potencial.