FISICA 2

 FÍSICA II- CEB 6/13

Carlos Alberto Román Salas N.L. 28

Eduardo Eleazar Ramos Lopez N.L. 26

Francisco Zeferino Vázquez N.L. 33

Ana Lilia Maldonado Sánchez N.L.19

La física es la ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, así como sus interacciones. Se dedica a describir un universo complejo mediante leyes simples y esclarecedoras. Los físicos buscan definir cantidades medibles fundamentales y encontrar relaciones entre ellas, expresándolas mediante ecuaciones y modelos. En resumen, la física nos permite entender por qué los objetos se mueven y cómo cambian su movimiento

Los Fluidos en la Física: Propiedades, Hidráulica y Hidrostática

Los fluidos son sustancias que se comportan de manera especial: pueden fluir y adaptarse a la forma de su contenedor. En este breve ensayo, exploraremos sus propiedades generales, la rama de la hidráulica y los conceptos fundamentales de la hidrostática.

Hidráulica: La hidráulica se ocupa del estudio de los fluidos en movimiento. Es crucial en sistemas de tuberías, bombas, válvulas y maquinaria hidráulica. La ley de Pascal (presión transmitida en líquidos) es fundamental.

Hidrostática: La hidrostática se enfoca en los fluidos en reposo. La presión es el esfuerzo normal de compresión. La presión promedio en un área se calcula como P = F / A. Las unidades incluyen pascales (Pa), atmósferas y milímetros de mercurio

Los Líquidos: Propiedades y Características

Los líquidos ocupan un lugar intermedio entre los sólidos y los gases. En este breve ensayo, exploraremos sus características fundamentales.

Forma y Volumen: Los líquidos no tienen forma definida; adoptan la del recipiente que los contiene. Sin embargo, mantienen un volumen constante, lo que los diferencia de los gases.

Compresibilidad: Los líquidos son prácticamente incompresibles en comparación con los gases. Sus partículas están más cercanas entre sí, lo que limita su compresión.

Viscosidad: La viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir o deformarse. Depende de las fuerzas internas entre las partículas. Ejemplos: la miel es más viscosa que el agua.

Fuerzas de Cohesión y Adhesión: Las fuerzas de cohesión mantienen unidas las partículas del mismo líquido. Las fuerzas de adhesión se dan entre partículas de diferentes sustancias. La capilaridad (ascenso o descenso de líquidos en tubos delgados) es un efecto de estas fuerzas.

Tensión Superficial: La tensión superficial es la fuerza que actúa en la superficie de un líquido. Permite que algunos insectos caminen sobre el agua y da forma semiesférica a las gotas líquidas debido a la cohesión y la gravedad. En este video se demuestran de manera práctica estas propiedades: Propiedades generales de los fluidos.

HIDROSTÁTICA

Capilaridad:

La capilaridad es la capacidad de un líquido para ascender en contra de la gravedad a través de un tubo estrecho.

Se debe a la tensión superficial y las fuerzas de adhesión entre el líquido y las paredes del tubo. Demostrada en este experimento: capilaridad

Densidad:

La densidad del agua es de aproximadamente 1.000 kg/m³.

A 20°C, su densidad es de unos 998 kg/m³ o 0,998 g/cm³.

La densidad varía con la temperatura y la salinidad.

La densidad (ρ) se calcula dividiendo la masa (m) de un objeto entre su volumen (V). La fórmula básica es: ρ = m/ V. 

Ejemplo de un problema de la densidad de un material:

 ¿Cuál es la densidad de un material, si 30 cm³ tiene una masa de 600 g?

Solución:

De los datos del problema sabemos que:

• m = 600 g.
• V = 30 cm³

La fórmula para calcular la densidad es 

Entonces  reemplazando los datos en la fórmula:

Resultado:        ρ = 20 g/cm³

Peso Específico:

El peso específico del agua es de aproximadamente 1 g/cm³.

Esto significa que un centímetro cúbico de agua pesa cerca de 1 gramo.

Matemáticamente, el peso específico se representa con el símbolo gamma (γ) y se expresa como: γ (peso específico) = w (peso ordinario) / V (volumen de la sustancia), o lo que es igual: γ = w/V = m.g/V, en donde m es la masa de la sustancia y g es la aceleración de la gravedad (comúnmente considerada como 9.8 m/s2).

Ejemplo de un problema de peso especifico:

1.- Calcular el Peso Específico del Aire, si su Densidad es de 1.29 Kg/m³.

DATOS

Pe = ?

ρ = 1.29 Kg/m³

g = 9.81 m/s²

SOLUCION

Multiplicamos de acuerdo con la fórmula: Pe = ρ * g

Pe = (1.29 Kg/m³)*(9.81 m/s²) = 12.6549 N/m³

Presión: La presión en física es una magnitud que mide el efecto deformador o la capacidad de penetración de una fuerza sobre una superficie. Se representa con el símbolo (p) y se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie. En otras palabras, es la proyección de la fuerza perpendicular sobre una superficie determinada. La presión se mide en el Sistema Internacional (SI) en pascales (Pa), que equivalen a un newton (N) de fuerza actuando sobre un metro cuadrado (m²) de superficie. También se utiliza la medida de libras por pulgada (psi) en el sistema inglés. La presión está presente en diversos contextos, como la presión atmosférica, la presión hidrostática y la presión manométrica. Es fundamental para comprender el comportamiento de los fluidos y su interacción con las superficies

Ejemplo de problema sobre la presión del agua a una profundidad:

Cuál es la presión que soporta un buzo sumergido a 10 metros de profundidad en el mar?
Datos: Densidad del agua de mar = 1,025 kg/L. Presión atmosférica 101325 Pa.

Solución

Primero convertimos las unidades dadas en el ejercicio a unidades del Sistema Internacional:



Luego aplicamos la definición de presión hidrostática, considerando la presión atmosférica.



Reemplazamos los valores del ejercicio en la fórmula:

Presión hidrostática 

Presión hidrostática. La presión hidrostática es la presión que se somete un cuerpo sumergido en un fluido, debido a la columna de líquido que tiene sobre él. donde r es la densidad del fluido, g es la gravedad y h es la altura de la superficie del fluido.

La fórmula para calcular la presión hidrostática es muy simple: P = ρgh, donde P es la presión hidrostática, ρ es la densidad del líquido, g es la aceleración debido a la gravedad y h es la profundidad del objeto.

Presión atmosférica 

La presión atmosférica es la fuerza que ejerce el aire sobre la superficie terrestre en un punto específico. Resulta de la acción de la gravedad sobre la columna de aire situada por encima de ese punto. La presión atmosférica se mide en pascales (Pa) y puede expresarse también en otras unidades como atmósferas, milímetros de mercurio (mm Hg) o hectopascales (hPa). Al nivel del mar, la presión atmosférica normal es de aproximadamente 760 mm Hg, equivalente a 760 torr, 1.013,2 mb o 101.325 Pa

Pa = ρ.g.h

En esta fórmula, Pa es igual a la presión ejercida en un punto del fluido. ρ es igual a la densidad del fluido. g es igual a la aceleración de gravedad.

La atmósfera es la capa de gas que rodea un cuerpo celeste. En el caso de la Tierra, su atmósfera se extiende hasta aproximadamente 1,000 kilómetros de altura. Sin embargo, la mayor parte de su masa se concentra en los primeros 6 kilómetros desde la superficie planetaria, y el 75 % de su masa total está contenida en los primeros 11 kilómetros. A continuación, describo las principales capas de la atmósfera terrestre.Explicado de forma mas detallada en el siguiente video: P. Atm

Troposfera:

Se extiende desde la superficie hasta aproximadamente 10 kilómetros de altura.

Contiene la mayoría del vapor de agua y es donde ocurren los fenómenos meteorológicos.

La temperatura disminuye con la altitud.

Estratosfera:

Se encuentra entre 10 y 50 kilómetros de altura.

Contiene la capa de ozono, que absorbe la radiación ultravioleta del Sol.

La temperatura aumenta con la altitud debido a la presencia de ozono.

Mesosfera:

Va desde 50 a 85 kilómetros de altura.

Es la capa más fría de la atmósfera.

Aquí ocurren las auroras y se desintegran los meteoritos.

Termosfera:

Se extiende desde 85 hasta 600 kilómetros de altura.

Las temperaturas son muy altas debido a la absorción de radiación solar.

Contiene la ionosfera, importante para las comunicaciones de radio.

Exosfera:

Va desde 600 kilómetros hasta el límite superior de la atmósfera.

Aquí los gases se dispersan gradualmente en el espacio exterior.

Problemas sobre presión, presión hidrostática y preciosa atmosférica:P. Atmosferica Presion

Principio de Torricelli

El barómetro de Torricelli es un instrumento utilizado para medir la presión atmosférica. Fue inventado por Evangelista Torricelli en el siglo XVII y es uno de los dispositivos más fundamentales en el campo de la meteorología y la física. El barómetro de Torricelli se basa en el principio de equilibrio de presiones. Funciona mediante un tubo cerrado de vidrio, en forma de J invertida, lleno de mercurio. La parte más larga del tubo se coloca en un recipiente abierto que contiene mercurio. A medida que el mercurio se desplaza hacia arriba y hacia abajo en el tubo, se puede medir la presión atmosférica. Cuando la presión atmosférica es alta, el mercurio en el tubo se eleva; por el contrario, cuando la presión atmosférica es baja, el mercurio en el tubo desciende. Esto permite medir la presión atmosférica en milímetros de mercurio (mmHg) o hectopascales (hPa). Aqui una explicación ampliada de su funcionamiento: Torricelli

La presión absoluta es una medida de la fuerza ejercida por unidad de área en los límites de una sustancia. Se calcula sumando la presión manométrica (la medida relativa a la presión atmosférica local) y la presión atmosférica. En otras palabras: Para la fórmula de la presión absoluta, se requieren los parámetros presión manométrica (pg) y presión atmosférica (patm). La fórmula de la presión absoluta es la siguiente: pabs=pg+patm.

La presión absoluta se mide en pascales (Pa) o libras por pulgada cuadrada absoluta (psia). Es importante distinguir entre la presión absoluta y la presión manométrica, ya que esta última se relaciona con la presión atmosférica local. La presión absoluta es fundamental en termodinámica y en aplicaciones de ingeniería

¿Cuál es la velocidad de salida de un fluido que se encuentra contenido en un recipiente de 2.45 m de altura y al cual se le hace un orificio a 60 cm arriba de su base?

Lo primero que haremos será colocar nuestros datos, pero debemos de tener en cuenta que el orificio realmente se encuentra a 2.45 m - 0.6 m = 1.85 m . Entonces, colocamos:

g = 9.8 m/s²

h = 2.45m - 0.6m = 1.85m

v = ?

Aplicando la fórmula del teorema:

Sustituyendo datos, en la fórmula:

Resultado:

Obtenemos un valor de velocidad de 6.02 m/s

Principio de Pascal

El principio de Pascal es una ley física formulada por el matemático y físico francés Blaise Pascal en el siglo XVII. Este principio establece que la presión aplicada sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual valor a cada una de las partes que lo conforman. En otras palabras, cuando se aplica presión a un fluido contenido en un recipiente, esa presión se distribuye uniformemente en todas las direcciones y puntos del fluido. El principio de Pascal tiene aplicaciones en sistemas como frenos hidráulicos, neumáticos de automóviles, elevadores hidráulicos y prensas hidráulicas

Podemos representar este principio con la siguiente fórmula: P = F/A. Donde P representa la presión que ejerce el pistón, F es la fuerza que se aplica sobre el líquido y A es el área que ocupa el fluido en el contenedor.

Podemos expresar a la presión dentro del fluido estático de dos formas:

$𝑃=\frac{{𝐹}_1}{{𝐴}_1}$

$𝑃=\frac{{𝐹}_2}{{𝐴}_2}$

Igualamos ambas ecuaciones:

$\frac{{𝐹}_1}{{𝐴}_1}=\frac{{𝐹}_2}{{𝐴}_2}$

Por tanto, si se aplica una fuerza ${𝐹}_1$ en la placa con superficie ${𝐴}_1$, debido al principio de Pascal, en la placa con área ${𝐴}_2$ se siente una fuerza igual a:

${𝐹}_2={𝐹}_1\frac{{𝐴}_2}{{𝐴}_1}$

Es decir, que si el área ${𝐴}_2>{𝐴}_1$, la fuerza que se siente ${𝐹}_2$ es mayor que la fuerza aplicada ${𝐹}_1$. Este es el principio de las prensas hidráulicas, con un buen ajuste de las áreas, aplicando una pequeña fuerza podemos levantar un coche.

Explicacion practica de el principio de Pascal: Principio de Pascal

Principio de Arquímedes 

El principio de Arquímedes es una ley física que establece que un cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical igual al peso del fluido desplazado. Cuando un cuerpo (total o parcialmente) se sumerge en un fluido en reposo, experimenta una fuerza ascendente o de flotación igual al peso del volumen del fluido desplazado. El empuje hidrostático (o de Arquímedes) se mide en newtons y es igual al peso del fluido desalojado.

Ejemplo: Imagina un objeto sumergido en agua. El volumen de agua desplazado por ese objeto es igual al volumen del objeto sumergido. El empuje hacia arriba que actúa sobre el objeto es igual al peso de ese volumen de agua.

Formulas.

p= m/V

Pe= p(g)

P= m (g)

Pe= P/V

P= F/A

p= Pe/g

V= P/Pe

m= p(V)

F= P(A)

Una bola de acero de 5 cm de radio se sumerge en agua, calcula el empuje que sufre y la fuerza resultante. 

El empuje viene dado por E = ρagua Vsumergido g,  la masa específica del agua es un valor conocido (1000 kg/m3), lo único que se debe calcular es el volumen sumergido, en este caso es el de la bola de acero. Se utiliza la fórmula del volumen de una esfera. 

Volumen: 5,236 · 10-4 m3

E = ρagua·Vsumergido·g  = 1000 · 5,236 · 10-4 · 9,8 = 5,131 N

El empuje es una fuerza dirigida hacia arriba, y el peso de la bola hacia abajo. La fuerza resultante será la resta de las dos anteriores. 

W= mg = ρvg

ρacero = 7,9 g/cm3 = 7900 kg/m3         

m = ρacero · V = 7900 · 5,234 · 10-4 = 4,135 kg

P = m · g = 4,135 · 9,8 = 40,52 N

Fuerza Resultante: P - E = 35,39 N, hacia abajo, por lo que la bola tiende a bajar y sumergirse.

HIDRODINÁMICA

La hidrodinámica es el área de la física que se dedica al análisis del movimiento de los fluidos. Estos fluidos pueden ser tanto líquidos como gases. Antes se sugiere mirar el siguiente video como forma de introducción al tema: https://youtu.be/XqltqRZDXVs?si=iiSNKaF1jPbpmSKj

Caudal o Gasto:

El caudal (Q) se refiere al volumen de líquido que fluye a través de un orificio en una unidad de tiempo.

Se mide en metros cúbicos por segundo (m³/s).

El caudal puede ser teórico o real.

Un caudal se calcula mediante la siguiente fórmula: Q=V/t, siendo Q (caudal), V (volumen) y t (tiempo). Normalmente se mide el volumen en litros y el tiempo en segundos.

Flujo Masico: El flujo másico se relaciona con la cantidad de masa de fluido que pasa por una sección dada en un intervalo de tiempo. Se expresa en kilogramos por segundo (kg/s).                                 El caudal másico se puede expresar mediante la fórmula: q m =m/t=ρ×u×A, donde q m es el caudal másico, kg/s; m es la unidad de masa del fluido, kg; ρ es el fluido densidad, kg/m 3 ; t es la unidad de tiempo, s; u es la velocidad de flujo promedio en la tubería, m/s; A es el área de la sección transversal de la tubería, m 2 .

Flujo Volumétrico:

Se mide en metros cúbicos por segundo (m³/s).

El flujo volumétrico es el flujo en el que la cantidad de fluido se expresa en términos de volumen. El caudal volumétrico se expresa mediante la fórmula: q v =V/t=u×A, en la fórmula: q v es el caudal volumétrico, m 3 /s, V es el volumen unitario de caudal, m 3 , t es la unidad tiempo, s; u es la velocidad media del tubo, m/s; A es el área de la sección transversal de la tubería, m 2 .

A 4°C la densidad del agua es de 1000 kg/m3. Calcule la densidad del agua a esa

temperatura en las siguientes unidades: kg/L, g/mL y g/cm3.

Para realizar el cálculo es necesario interpretar matemáticamente y de manera

ordenada la densidad de agua que es 1000 kg/m3. Este valor de densidad equivale a

decir que 1000 kg de H2O ocupan un volumen de 1 m3. Matemáticamente se

expresaría como:

1000 1    Teniendo la expresión anterior entonces procedemos a cambiar de unidades

i) Calculo de la densidad en kg/L.

= 1000

1   1

1000 = 1

1  

o lo que es igual a: = 1 / 

ii) Calculo de la densidad en g/mL. Teniendo la densidad 1 kg/L y expresándolo

matemáticamente: 1 1  

= 1 1 1000 1 1 1000 = 1 1  

o lo que es igual a: = 1 / iii) Calculo de la densidad en g/cm3 

= 1 1 1 1   =

1 1   

o lo que es igual a: = 1 / 

                                                        Ecuación de continuidad:

La ecuación de continuidad es la relación que existe entre el área y la velocidad que tiene un fluido en un lugar determinado y que nos dice que el caudal de un fluido es constante a lo largo de un circuito hidráulico. 

La ecuación de continuidad es una ecuación que nos explica que la cantidad de fluido que entra por medio de un tubo y que por lo general se mide en litros/segundo es es la misma que la cantidad de flujo que sale del mismo tubo, sin importar si el tuvo tiene más o menos radio a lo largo del mismo.

La ecuación de continuidad es la siguiente:

Q1 = Q2 ⇒ S1ㆍv1 = S2 ㆍv2

Por un tubo de 0,11 m de diámetro fluye agua a una velocidad de 3 m/s. ¿Cuál es la velocidad del agua cuando pasa a través de una sección estrecha con un diámetro de 0,04 m?

Tendremos en cuenta nuestros datos para facilitar el cálculo:

D = 0,11 m

v1 = 3 m/s

d = 0,04 m

v2 = ?

Si analizamos nuestra fórmula:

Resolviendo para «v2», obtenemos:

Si bien es claro que en nuestra fórmula estamos pidiendo área y no diámetro, podemos establecer la siguiente relación.

Podemos simplificar la parte del numerador, el denominador es π/4, entonces:

Reemplazar ahora

Resultado:

Obtenemos una velocidad de 22,68 m/s

                                            ¿Qué es el principio de Bernoulli?

El principio de Bernoulli es un enunciado que parece ir en contra de la intuición, acerca de cómo la velocidad de un fluido se relaciona con la presión del fluido. Muchas personas sienten que el principio de Bernoulli no debería de ser correcto, pero esto se debe a un mal entendimiento de lo que dice el principio

Así que dentro de una tubería horizontal de agua que cambia de diámetro, las regiones donde el agua se mueve más rápido se encontrarán a menor presión que las regiones donde se mueve más lento. Esto a muchas personas les parece contrario a la intuición, ya que asocian una gran velocidad con presiones altas.

La ecuación de Bernoulli relaciona la presión, la velocidad y la altura de dos puntos cualesquiera (1 y 2) en un fluido con flujo laminar constante de densidad 

 

. Usualmente escribimos la ecuación de Bernoulli de la siguiente manera: 

Un apoyo para entender los conceptos basicos del principio de bernoulli en este video:https://youtu.be/HR0sPHnSwjc?si=5B4o-VjurEDxRHhq

En la figura, el fluido es agua y descarga libremente a la atmósfera. Para un flujo másico de 15 kg/s, determine la presión en el manómetro.

Aplicando la e.c de Bernoulli entre 1 y 2 tenemos

La física de los fluidos es una parte esencial de nuestra vida cotidiana. Desde el agua que bebemos hasta el vuelo de los aviones, los principios de la hidrodinámica y la aerodinámica nos rodean constantemente. Comprender cómo los fluidos se mueven y se comportan nos permite aprovechar y apreciar mejor el mundo que nos rodea. 💧✈️🌊

Bibliografía:

Ripoll, A. B., & Pérez-Saborid, M. (2005). Fundamentos y aplicaciones de la mecánica de fluidos. McGraw-Hill Interamericana.

Koschmieder, E. L. (1993). Bénard Cells and Taylor vortices. Cambridge University Press.

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Skiba, Y. N. (2000). Introducción a la dinámica de fluidos. UNAM.

Libros gratuitos. (2021). Explora estos libros de aerodinámica. Recuperado de https://infolibros.org/libros-pdf-gratis/fisica/aerodinamica/

Shames, I. H. (2002). Mecánica de Fluidos. McGraw-Hill.

Munson, B. R., Young, D. F., & Okiishi, T. H. (2010). Fundamentos de Mecánica de Fluidos. Pearson Educación.

Cengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2014). Mecánica de Fluidos: Fundamentos y Aplicaciones. McGraw-Hill.

Streeter, V. L., & Wyle, B. J. (1998). Mecánica de los Fluidos. McGraw-Hill.

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Energía térmica

Te explicamos qué es la energía térmica, cómo se obtiene y cuáles son sus características. Además, qué es la energía calórica. Los muchos usos de la energía térmica incluyen protegernos del frío y cocinar alimentos.

¿Qué es la energía térmica?

La energía térmica o energía calórica es el grado de energía interna contenida en un sistema termodinámico en equilibrio (un cuerpo, un conjunto de partículas, una molécula, etc.) y que es proporcional a su temperatura absoluta. Dicho en otras palabras, la energía térmica es la que genera el movimiento interno y aleatorio de las partículas de un cuerpo (es decir, es equivalente a la energía cinética), que aumenta o disminuye por transferencia de energía, usualmente bajo la forma de calor o de trabajo. La temperatura de un sistema y su capacidad de generar un trabajo (movimiento, etc.) dependen de su energía térmica. Esto se debe a que, como ocurre con todas las formasde energía, puede ser transformada, transmitida o conservada hasta cierto punto. Esto implica que la energía térmica también es responsable de los estados de agregación de la materia, ya que a mayores niveles de energía, mayor agitación de las partículas constituyentes de la materia y menor posibilidad de que compartan un espacio limitado.

Características de la energía térmica

Como todos los sistemas termodinámicos tienden al equilibrio térmico con su entorno, esta energía debe poder transmitirse de un cuerpo a otro o de un cuerpo al medio ambiente, y lo hace a través de tres mecanismos esenciales: 

Conducción. La transferencia de energía se da mediante el contacto entre los cuerpos, sin intercambio de materia

.Convección. La transferencia de energía se produce mediante el movimiento de un fluido (líquidos o gases). Si, por ejemplo, se mezclan dos fluidos, el de mayor temperatura le

transferirá calor al otro, por convección.

Radiación. La energía se transfiere sin necesidad de contacto físico y por medio de ondas 

electromagnéticas. Por ejemplo, el sol transmite energía térmica por radiación.Y para que le entiendas aún mejor, ahorita veremos algunos ejemplos de energía térmica.Algunos ejemplos de energía térmica:

● El calor del Sol, irradiado al espacio a su alrededor y que recibimos junto a su luz cada día.

● El calor que agregamos a la comida al cocinar incrementa enormemente su energía térmica y produce cambios químicos en su composición que nos permiten digerirla con más facilidad.

● Una calefacción encendida añade energía térmica al ambiente de una habitación, 

y que nuestro cuerpo absorbe del aire, y la percibimos como calor.

● Cuando encendemos un fósforo, disparamos una reacción exotérmica, o sea, una 

reacción que incrementa la energía térmica del sistema, al menos durante el 

tiempo que tarda en consumirse el fósforo.

● Algunos fenómenos físicos que generan calor, como la fricción, aumentan la energía térmica de un sistema.

● La escala Celsius. También conocida como “escala centígrada”, es la más utilizada junto con la escala Fahrenheit. En esta escala, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C (cero grados centígrados) y su punto de ebullición a 100 °C.

● La escala Fahrenheit. Es la medida utilizada en la mayoría de los países de habla inglesa. En esta escala, el punto de congelación del agua ocurre a los 32 °F (treinta y dos grados Fahrenheit) y su punto de ebullición a los 212 °F.

● La escala Kelvin. Es la medida que suele utilizarse en ciencia y establece el “cero

absoluto” como punto cero, lo que supone que el objeto no desprende calor alguno y equivale a -273,15 °C (grados centígrados).

● La escala Rankine. Es la medida usada comúnmente en Estados Unidos para la medición de temperatura termodinámica y se define al medir los grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos o bajo cero.

¿Cómo se mide la temperatura?

La temperatura se mide mediante magnitudes termométricas, es decir, diferentes unidades que representan la temperatura a distintas escalas. Para eso se emplea un dispositivo llamado “termómetro” del que existen varios tipos dependiendo del fenómeno que se necesite medir.

Calor

El calor es una forma de energía que se transfiere de manera espontánea entre distintas 

zonas de un cuerpo o desde un cuerpo hacia otro.

En termodinámica, “calor” significa “transferencia de energía”. Esta transferencia siempre 

tiene una dirección definida por la diferencia de temperatura entre los cuerpos. El calor 

fluye del cuerpo más caliente al más frío, de manera de llegar a una temperatura de 

equilibrio.

El calor se puede transmitir de tres formas diferentes:

Radiación térmica. El calor se propaga a través de ondas electromagnéticas. Todos los 

cuerpos emiten calor de esta forma, a menos que estén a una temperatura igual al cero 

absoluto, 0 Kelvin.

Conducción térmica. El calor se transmite por la agitación de las moléculas, lo que 

provoca que la temperatura incremente, que los líquidos se evaporen, que los sólidos se 

fundan y que los cuerpos se dilaten.

Convección térmica. El calor se transfiere por medio del movimiento de un fluido, como 

puede ser un gas y un líquido. Por ejemplo, al calentar agua en una cacerola, la porción 

que está en contacto con su base asciende al calentarse, mientras que el agua de la 

superficie desciende por los lados al enfriarse y ocupa el lugar que dejó la porción caliente.

Unidades de calor

Como el calor es transferencia de energía, puede ser medido como ganancia o pérdida 

de energía. Por eso, se lo puede medir con la misma unidad que a cualquier otro tipo de 

energía:el joule (que, además del calor, sirve para 

medir trabajo y energía).

Para medir el calor, se usan dos unidades más:

Caloría. Su abreviación es cal y representa la 

cantidad de energía que se necesita para 

incrementar 1 gramo de agua en 1° C.

Kilocaloría. Se abrevia kcal y representa la energía 

que se precisa para elevar 1 kilogramo de agua en 

1° C.

Mecanismos de calor

Se denomina transferencia de calor, 

transferencia térmica o transmisión de 

calor al fenómeno físico que consiste en 

el traspaso de energía calórica de un 

medio a otro.

Esto ocurre cuando dos sistemas que se 

encuentran a distintas temperaturas se 

ponen en contacto, permitiendo el flujo de 

la energía del punto de mayor 

temperatura al de menor, hasta alcanzar 

un equilibrio térmico, en el que se igualan 

las temperaturas.

El proceso de la transferencia de calor es indetenible (no se lo puede frenar) aunque 

ralentizable (se puede desacelerar), empleando barrares y aislantes. Pero siempre que 

exista una diferencia de calor en el universo, el calor tenderá a transferirse a través de los 

medios disponibles. Dependiendo de ellos, dicha transferencia podrá darse por tres 

modos: conducción, convección y radiación

Conducción

transferencia de calor conduccion

La conducción del calor suele utilizarse para la cocción de alimentos.

Se llama conducción a la transferencia de calor mediante el contacto directo de las 

partículas de un material con las de otro, sin transferir materia entre los cuerpos. Ocurre 

en todos los estados de agregación: sólido, líquido o gaseoso, aunque en estos dos 

últimos suele preferirse la convección.

La convección es semejante a la conducción, excepto que ocurre en los casos en que un 

fluido recibe calor y se mueve para transmitirlo dentro de un espacio donde está 

contenido. La convección es el transporte de calor por medio del movimiento de un fluido, 

sea gaseoso o líquido.

Dicha transferencia se da en los términos planteados por la Ley del enfriamiento de 

Newton, que establece que un cuerpo pierde su calor a un ritmo proporcional a la 

diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores.

Radiación

transferencia de calor radiacion

La radiación se puede dar a través del aire e incluso en el vacío.

El último tipo de transferencia de calor es también el único que puede darse en ausencia 

de contacto y, por ende, también de un medio físico, o sea, en el vacío.

Esto se debe a que su origen está en el movimiento térmico de las partículas cargadas 

de la materia, que desencadena la emisión de partículas electromagnéticas, es decir, de 

radiación térmica, siendo su intensidad dependiente de su temperatura y la longitud de 

onda de la radiación considerada.

Generalmente, los cuerpos en esta situación emiten radiación ultravioleta, pero a partir 

de ciertas temperaturas pueden emitir radiación en el espectro visible, o sea, luz. La 

cantidad de calor irradiada de esta manera puede determinarse por la Ley de Stefan Boltzmann.

A diario observamos el mejor ejemplo de radiación térmica: el Sol. A pesar de hallarse a 

149,6 millones de kilómetros de nuestro planeta, la temperatura del Sol es tan alta que 

irradia hacia el espacio enormes cantidades de luz y de calor.

Ambas cosas alcanzan la superficie terrestre y la mantienen caliente e iluminada, con 

longitudes de onda que van desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, pasando obviamente 

por todo el espectro visible.

CALORIMETRÍA

TODA LA ENERGÍA DEL ORGANISMO SE CONVIERTE EN CALOR

Se conoce como calorimetría al área de la física centrada en las técnicas y los recursos 

para medir el calor. También se denomina calorimetría a la medida del calor que, en un 

proceso biológico, químico o físico, se absorbe o se desprende.

EL CALOR

Antes de avanzar, es importante resaltar que el calor es una energía que de un cuerpo 

pasa a otro. Estos cuerpos, por acción del calor, pueden registrar cambios de estado y 

dilatarse. Uno de los conceptos más importantes relacionados con el calor y los cuerpos 

es la transferencia, un proceso perteneciente al ámbito de la física que se describe como 

la propagación por diferentes medios del calor. Precisamente, la calorimetría se dedica a 

medir las alteraciones que se dan en las variables de estado para averiguar la 

transferencia de calor que se asocia a éstas, teniendo en cuenta las razones que las 

causan e imponiendo asimismo ciertas restricciones bien definidas.

EL CALORÍMETRO

La calorimetría recurre a un dispositivo denominado calorímetro para la medición del 

calor. Lo que hace el calorímetro es registrar la cantidad de calor que un cuerpo recibe o 

suministra, determinando de este modo el calor específico del mismo y el calor que capta 

o libera.

Los calorímetros suelen ser recipientes aislados y cerrados que contienen agua, un 

termómetro y un elemento para agitar. al recurrir a una fuente de calor y agitar el agua 

hasta conseguir un equilibrio, se mide el incremento de la temperatura mediante el 

termómetro. a través de cálculos, se puede conocer el calor liberado, el calor absorbido, 

etc.

CALORIMETRÍA DIRECTA

Como veremos a continuación, este concepto se puede estudiar desde dos perspectivas 

diferentes de acuerdo al método de medición. En primer lugar podemos hablar de la 

calorimetría directa, la cual abre las puertas a la medición de la energía que el cuerpo 

humano genera a lo largo de las dos fases principales de su día a día: el reposo y el 

esfuerzo.

SU BASE SE ENCUENTRA EN LA AFIRMACIÓN DE QUE……..

Toda la energía que produce nuestro organismo se convierte en trabajo o calor, un 

proceso constante que nos mantiene en equilibrio y resulta esencial para nuestro 

desarrollo.

EL TÉRMINO: Directa nos indica que la medición se tiene que llevar a cabo en 

condiciones poco naturales, ya que la persona debe estar en una campana capaz de 

medir la temperatura con gran precisión y determinar la cantidad de calorías que quema 

a cada momento. esto no sería posible, por ejemplo, en plena práctica de un deporte.

El calor se propaga por diferentes medios

CALORIMETRÍA INDIRECTA

La calorimetría indirecta, en este marco, es la alternativa más accesible a nivel económico 

y de infraestructura a la directa. Para evitar las exigencias del otro tipo de medición, se 

apoya en el análisis de gases siguiendo determinados parámetros matemáticos. La 

prueba que se realiza en este caso es de esfuerzo.

En términos más técnicos, esta clase de calorimetría mide el consumo de oxígeno y/o la 

producción de dióxido de carbono y desechos de nitrógeno para estimar el calor producido 

por un ser vivo. Existen distintas formas de recolección de los gases para el desarrollo de 

la calorimetría indirecta.

Un médico, por ejemplo, puede indicarle a una persona que utilice un medidor metabólico 

para conocer su producción de CO2 y su consumo de O2 mientras respira de manera 

espontánea. Así es posible estudiar eventuales enfermedades del metabolismo y otros 

trastornos.

¿Qué es la electrostática?

Se entiende por electrostática a la 

rama de la física que se encarga del 

estudio y análisis del 

comportamiento de las cargas 

eléctricas en estado de equilibrio o, 

lo que es lo mismo, los efectos que 

se generan en los cuerpos como 

resultado de sus cargas eléctricas, 

ya sean de atracción o rechazo. A 

este efecto se le conoce como 

fenómeno electrostático. 

La electricidad estática se entiende como el fenómeno que ocurre entre dos cuerpos que 

acumulan carga eléctrica, ya sea por procesos de inducción o fricción. Esta acumulación 

de energía se puede producir, por ejemplo, si dos materiales se frotan entre sí, pasando 

los electrones de una superficie a otra a través del diferencial de nivel energético.

Si un material con carga eléctrica atrae o rechaza los electrones de otro material, se 

produce lo que se conoce como carga inducida, en la que se genera una zona con mayor 

carga positiva en el segundo material, provocando atracción.

En electrostática, el nivel de carga depende de factores como el material (si es conductor, 

semiconductor o aislante), así como de sus propiedades físicas y eléctricas, humedad, 

temperatura, presión y velocidad de separación de cuerpos. 

¿Cuándo se descubrió la electrostática?

Los primeros indicios del estudio de la electrostática se remontan a la época de los griegos 

antiguos, cuando el filósofo Tales de Mileto (624 a.C. – 546 a. C.) identificó 

comportamientos extraños a partir de la fricción del ámbar con tejidos como la lana, 

generando la atracción de objetos con electricidad estática. 

Posteriormente, en el siglo XVII se realizaron los primeros análisis de la relación entre la 

electricidad y el magnetismo, con el objetivo de mejorar la precisión de las brújulas 

magnéticas. El italiano Niccolo Cabeo analizó estudios del físico británico William Gilbert 

y concluyó que existían fuerzas de atracción y repulsión entre cuerpos, según sus 

características. 

En el año 1733, el físico y químico francés Francois de Cisternay du Fay planteó la

existencia de dos tipos de cargas eléctricas: la negativa y la positiva. Luego, en 1785 el 

también físico francés Charles Coulomb formalizó en un tratado los conceptos 

cuantitativos de las fuerzas eléctricas, formulando la Ley de Coulomb en la que se 

plantearon enunciados de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas. Esta ley 

se complementó con el Teorema de Gauss en el que se definieron casi todos los 

fenómenos electrostáticos.

¿Cómo se genera la electrostática?

La electrostática se produce cuando dos o más cuerpos entran en contacto y se separan 

de nuevo. Se trata de un fenómeno de superficies que da lugar a la transferencia de 

electrones de un átomo a otro. Se puede generar de la siguiente manera:

● Carga eléctrica por frotación: algunos cuerpos pueden cargarse después de ser 

frotados uno contra otro, produciendo la transferencia de electrones. De esta 

manera, un objeto queda cargado electronegativamente y el otro 

electropositivamente.

● Carga eléctrica por inducción: no requiere de contacto entre objetos para generar 

la carga eléctrica. Por el contrario, si un material tiene carga negativa y se acerca 

a un cuerpo eléctricamente neutro, los electrones del último se sentirán repelidos 

ante el exceso de electrones del primer cuerpo y, por lo tanto, se moverá dentro 

del material contenedor para alejarse del cuerpo cargado. 

¿Cómo se manifiesta la electrostática en la vida 

cotidiana?

1. Frotar con un paño un trozo de vidrio: cuando el paño es lo suficientemente grueso, 

el vidrio, que tiene cualidad de material aislante, queda cargado eléctricamente y 

atraerá partículas pequeñas que se encuentren a su alrededor. 

2. Peinarse: el material plástico con el que está fabricado el peine es aislante y, al 

momento de pasarlo de manera repetida sobre el cabello, este se cargará de 

electrones, haciendo que el cabello se eleve. 

3. Impresión en máquinas fotocopiadoras o de láser: el rayo de luz que ilumina la 

imagen o texto a través de un proceso de escaneo le transfiere la carga eléctrica 

a un tambor fotosensible. Por su parte, el tóner, que tiene características 

magnéticas, al pasar por el tambor se adhiere a las partes sensibilizadas por el 

rayo de luz. Luego, cuando el papel pasa por el tambor, el material del tóner se 

desprende y se adhiere a la superficie, transfiriendo el contenido del tambor. 

4. Arrastrar los pies con calcetines sobre una alfombra: la electricidad estática se 

acumula en el cuerpo y, si después se toca a alguien, se puede sentir una 

descarga eléctrica entre las pieles

Carga eléctrica

¿Qué es una carga eléctrica?

En física, se llama carga eléctrica a una propiedad de la materia que está presente en las 

partículas subatómicas y se evidencia por fuerzas de atracción o de repulsión entre ellas, 

a través de campos electromagnéticos.

La materia compuesta por átomos es eléctricamente neutra, es decir, no está cargada a 

menos que algún factor externo la cargue. Los átomos poseen la misma cantidad de 

partículas con carga eléctrica negativa (electrones) que de partículas con carga eléctrica 

positiva (protones).

Sin embargo, la materia puede cargarse 

eléctricamente, es decir, puede ganar o perder 

carga, y así quedar cargada en forma negativa o 

positiva. La materia cargada genera un campo 

eléctrico, un campo de fuerzas eléctricas. La 

fuerza electromagnética es una de las cuatro 

interacciones fundamentales de la naturaleza.

Las cargas eléctricas no pueden crearse ni 

destruirse. La cantidad de carga eléctrica en el 

universo es constante, no cambia con el tiempo. 

Ley de Coulomb (qué es, fórmula y 

ejemplos)

La ley de Coulomb se emplea en el área de la física 

para calcular la fuerza eléctrica que actúa entre dos 

cargas en reposo.

A partir de esta ley se puede predecir cuál será la 

fuerza electrostática de atracción o repulsión 

existente entre dos partículas según su carga 

eléctrica y la distancia que existe entre ambas.

La ley de Coulomb debe su nombre al físico francés 

Charles-Augustin de Coulomb, quien en 1785 

enunció esta ley:

“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas 

puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de 

ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las 

separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las 

cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario”.

Esta ley constituye la base de la electrostática y se representa de la siguiente manera:

F: fuerza eléctrica de atracción o repulsión en Newtons (N). Las cargas iguales se repelen 

y las cargas opuestas se atraen.

k: es la constante de Coulomb o constante eléctrica de proporcionalidad. La fuerza 

varía según la permitividad eléctrica (ε) del medio, bien sea agua, aire, aceite, vacío, entre 

otros.

q: valor de las cargas eléctricas medidas en Coulomb (C).

r: distancia que separa a las cargas y que es medida en metros (m).

Cabe destacar que la permitividad eléctrica del vacío es constante, y una de las más 

empleadas. Se calcula de la siguiente manera: ε0 = 8,8541878176x10-12 C2

/ (N·m2

). Es 

de suma importancia tener en cuenta la permitividad del

material.

El valor de la constante de Coulomb en el Sistema Internacional de medidas es:

Esta ley solo toma en cuenta la interacción entre dos cargas puntuales al mismo tiempo. 

Asimismo, solo determina la fuerza que existe entre q1 y q2, sin considerar las cargas 

alrededor.

ENERGIA POTENCIAL ELECTRICA

Al igual que cuando hablamos de la energía potencial gravitatoria estudiamos que un 

cuerpo que se encuentra a una determinada altura de la superficie de la Tierra adquiere 

una determinada cantidad de energía potencial provocada por la acción de la fuerza 

gravitatoria, un cuerpo cargado que sufre la acción de una fuerza eléctrica adquiere 

energía potencial eléctrica (Ep).

El trabajo realizado por la fuerza eléctrica para trasladar una carga desde un punto A a 

otro B se puede expresar de la siguiente forma:

𝑊𝑒(𝐴→𝐵) =∫𝐴𝐵𝐹→𝑒d𝑙→=-∆𝐸𝑝=-(𝐸𝑝𝐵-𝐸𝑝𝐴)

Esta expresión determina que sólo es posible calcular diferencias de energía (ΔEp) y la 

energía potencial en un punto es siempre un valor relativo con respecto a otro, sin 

embargo para hablar de un valor absoluto se utiliza como referencia un punto situado en 

el infinito. Dado que a esa distancia no existe fuerza eléctrica que atraiga o repela las 

cargas, la energía potencial eléctrica allí es nula. Por tanto, aplicando esta consideración 

obtenemos que:

Tal y como estudiamos en el apartado de trabajo eléctrico, si sobre una carga actúa otra 

fuerza externa (a parte de la fuerza eléctrica), se cumple que:

𝑊𝑒=-𝑊𝑓

donde:

● We es el trabajo realizado por la fuerza eléctrica para moverlo desde A hasta B.

● Wf es el trabajo realizado por la fuerza externa para moverlo desde A hasta B.

Por esta razón, podemos definir el trabajo realizado por la fuerza externa para trasladar 

la carga desde el infinito hasta una posición A como:

𝑊𝑓(∞→𝐴) =-𝑊𝑒(∞→𝐴) = 𝐸𝑝

Energía potencial de un sistema de dos partículas

Si disponemos de dos cargas Q y q, el trabajo para aproximar q desde el infinito hasta un 

punto A próximo a Q se puede obtener aplicando la definición de trabajo entre dos puntos:

𝑊𝑒(∞→𝐴)=∫∞𝐴𝐹→𝑒d𝑙→=∫∞𝐴𝐹𝑒d𝑟 =-𝐾·𝑄·𝑞·∫∞𝐴1𝑟2d𝑟

Como ya hablamos en el apartado de trabajo eléctrico, este es el trabajo que realizan las 

fuerzas eléctricas y no debemos confundirlo con el trabajo que puede realizar una fuerza 

externa en contra de las fuerzas eléctricas para intentar aproximar dos cuerpos cargados 

con el mismo signo (que apriori intentarán separarse) o alejar dos cuerpos cargados con 

distinto signo (que apriori intentarán unirse). 

Cargas con distinto signo

Imagina dos cargas fijas, una positiva y otra negativa. En principio, dado que se tratan de 

cargas con distinto signo en cada una de ellas aparecerá una fuerza de atracción hacia 

la otra. Imagina nuevamente que una de ellas se encuentra en un punto A y que podemos 

cogerla con la mano y situarla hasta un punto B más alejado. Al hacer esto:

● Si aplicas la definición de trabajo, dado que el desplazamiento se produce en la 

dirección y sentido de la fuerza externa, el trabajo que realiza esta fuerza (Wf) será 

positivo (Wf>0).

● Como el desplazamiento se produce en sentido contrario a la fuerza eléctrica, el 

trabajo eléctrico será negativo (We<0).

● Si aplicas la definición de energía potencial eléctrica, podrás comprobar que la 

energía en B es mayor que en A, por tanto (ΔEp>0).

En resumidas cuentas, el trabajo que realiza la fuerza externa al alejarlas, hace que las 

cargas adquieran energía potencial. Si ahora la soltamos, la fuerza eléctrica se encargará 

de acercarlas realizando un trabajo que consumirá parte o toda la energía potencial que 

poseen.

Cargas del mismo signo

Ahora, imagina dos cargas fijas del mismo signo (positiva o negativa). En principio, dado 

que se tratan de cargas con signos iguales en cada una de ellas aparecerá una fuerza de 

repulsión en contra de la otra. Imagina nuevamente que una de ellas se encuentra en un 

P á g i n a 25 | 44

punto A y que podemos cogerla con la mano y situarla hasta un punto B más cercano. Al 

hacer esto, como en el caso anterior:

● Si aplicas la definición de trabajo, dado que el desplazamiento se produce en la 

dirección y sentido de la fuerza externa, el trabajo que realiza esta fuerza (Wf) será 

positivo (Wf>0).

● Como el desplazamiento se produce en sentido contrario a la fuerza eléctrica, el 

trabajo eléctrico será negativo (We<0).

● Si aplicas la definición de energía potencial eléctrica, podrás comprobar que la 

energía en B es mayor que en A, por tanto (ΔEp>0).

El trabajo que realiza la fuerza externa al acercarlas, hace que las cargas adquieran 

energía potencial. Si ahora la soltamos, la fuerza eléctrica se encargará de alejarlas 

realizando un trabajo que consumirá parte o toda la energía potencial que poseen.

Fíjate que tal y como indicamos en la fórmula inicial, cuando se aplica la fuerza externa, 

el signo del trabajo del campo eléctrico es exactamente el contrario al del trabajo realizado 

por la fuerza eléctrica y al de la diferencia de energía potencial.

Energía potencial eléctrica de un sistema de más de dos 
partículas

Si en lugar de poseer dos cargas puntuales, disponemos de más cargas, podemos 

calcular la energía potencial del sistema sumando algebraicamente la energía potencial 

eléctrica entre cada pareja de cargas. Por ejemplo, si disponemos de tres cargas q1, q2 y 

q3 la energía potencial eléctrica del sistema se obtiene por medio de la siguiente 

expresión:

𝐸𝑝=𝐾·𝑞1·𝑞2𝑟1,2+𝐾·𝑞1·𝑞3𝑟1,3+𝐾·𝑞2·𝑞3𝑟2,3

La energía potencial de un sistema formado por varias cargas puntuales equivale al 

trabajo necesario que debería realizar una fuerza exterior para ensamblar las cargas en 

esas posiciones trayéndolas desde el infinito.

Energía potencial eléctrica y energía cinética

Si dos o más cargas puntuales se enceuentran sometidas únicamente a la fuerza 

eléctrica, la energía total del sistema es siempre la misma (permanece constante). Esto 

es debido a que la fuerza eléctrica es una fuerza conservativa. ¿Que consideraciones 

tiene esto?

. En primer lugar, que la suma de la energía cinética y la energía potencial de 

el sistema es independiente del punto en que se encuentre, por tanto entre dos puntos A 

y B se cumple que:

𝐸𝑐𝐴+𝐸𝑝𝐴=𝐸𝑐𝐵+𝐸𝑝𝐵

ENERGIA POTENCIAL ELECTRICA

Al igual que cuando hablamos de la energía potencial gravitatoria estudiamos que un 

cuerpo que se encuentra a una determinada altura de la superficie de la Tierra adquiere 

una determinada cantidad de energía potencial provocada por la acción de la fuerza 

gravitatoria, un cuerpo cargado que sufre la acción de una fuerza eléctrica adquiere 

energía potencial eléctrica (Ep).

El trabajo realizado por la fuerza eléctrica para trasladar una carga desde un punto A a 

otro B se puede expresar de la siguiente forma:

𝑊𝑒(𝐴→𝐵) =∫𝐴𝐵𝐹→𝑒d𝑙→=-∆𝐸𝑝=-(𝐸𝑝𝐵-𝐸𝑝𝐴)

Esta expresión determina que sólo es posible calcular diferencias de energía (ΔEp) y la 

energía potencial en un punto es siempre un valor relativo con respecto a otro, sin 

embargo para hablar de un valor absoluto se utiliza como referencia un punto situado en 

el infinito. Dado que a esa distancia no existe fuerza eléctrica que atraiga o repela las 

cargas, la energía potencial eléctrica allí es nula. Por tanto, aplicando esta consideración 

obtenemos que:

Tal y como estudiamos en el apartado de trabajo eléctrico, si sobre una carga actúa otra 

fuerza externa (a parte de la fuerza eléctrica), se cumple que:

𝑊𝑒=-𝑊𝑓

donde:

● We es el trabajo realizado por la fuerza eléctrica para moverlo desde A hasta B.

● Wf es el trabajo realizado por la fuerza externa para moverlo desde A hasta B.

Por esta razón, podemos definir el trabajo realizado por la fuerza externa para 

trasladar la carga desde el infinito hasta una posición A como:

𝑊𝑓(∞→𝐴) =-𝑊𝑒(∞→𝐴) = 𝐸𝑝

=𝑊𝑓(∞→𝐴) =-𝑊𝑒(∞→𝐴) 

Energía potencial de un sistema de dos partículas

Si disponemos de dos cargas Q y q, el trabajo para aproximar q desde el infinito hasta un punto A próximo a Q se puede obtener aplicando la definición de trabajo entre dos puntos:

𝑊𝑒(∞→𝐴)=∫∞𝐴𝐹→𝑒d𝑙→=∫∞𝐴𝐹𝑒d𝑟 =-𝐾·𝑄·𝑞·∫∞𝐴1𝑟2d𝑟

⇒𝑊𝑒(∞→𝐴)=-𝐾·𝑄·𝑞·-1𝑟∞𝐴⇒𝑊𝑒(∞→𝐴)=-𝐾·𝑄·𝑞𝑟

Sustituyendo por la definición de energía potencial:

𝐸𝑝𝐴=𝐾·𝑄·𝑞𝑟

La energía potencial eléctrica que posee una carga puntual q en presencia de otra carga 

puntual Q que se encuentran separadas cierta distancia r es:

𝐸𝑝=𝐾·𝑄·𝑞𝑟

donde:

● Ep es la energía potencial eléctrica. En el S.I. se mide en Julios (J).

● Q y q son los valores de las dos cargas puntuales. En el S.I. se miden en 

Culombios (C).

● r es el valor de la distancia que las separa. En el S.I. se mide en metros (m).

P á g i n a 28 | 44

● K es la constante de la ley de Coulomb. Para el vacío su valor es aproximadamente 

9·109 N·m2/C2 utilizando unidades en el S.I.

Como ya hablamos en el apartado de trabajo eléctrico, este es el trabajo que realizan las 

fuerzas eléctricas y no debemos confundirlo con el trabajo que puede realizar una fuerza 

externa en contra de las fuerzas eléctricas para intentar aproximar dos cuerpos cargados 

con el mismo signo (que apriori intentarán separarse) o alejar dos cuerpos cargados con 

distinto signo (que apriori intentarán unirse). El trabajo que realiza dicha fuerza (Wf) se 

relaciona con el trabajo eléctrico (We) y la energía potencial eléctrica de la siguiente forma 

𝑊𝑒=-𝑊𝑓=-𝛥𝐸𝑝

Cargas con distinto signo

Imagina dos cargas fijas, una positiva y otra negativa. En principio, dado que se tratan de cargas con distinto signo en cada una de ellas aparecerá una fuerza de atracción hacia la otra. Imagina nuevamente que una de ellas se encuentra en un punto A y que podemos cogerla con la mano y situarla hasta un punto B más alejado. Al hacer esto:

● Si aplicas la definición de trabajo, dado que el desplazamiento se produce en la 

dirección y sentido de la fuerza externa, el trabajo que realiza esta fuerza (Wf) será 

positivo (Wf>0).

● Como el desplazamiento se produce en sentido contrario a la fuerza eléctrica, el 

trabajo eléctrico será negativo (We<0).

● Si aplicas la definición de energía potencial eléctrica, podrás comprobar que la energía en B es mayor que en A, por tanto (ΔEp>0).En resumidas cuentas, el trabajo que realiza la fuerza externa al alejarlas, hace que las cargas adquieran energía potencial. Si ahora la soltamos, la fuerza eléctrica se encargará de acercarlas realizando un trabajo que consumirá parte o toda la energía potencial que poseen.

Cargas del mismo signo

Ahora, imagina dos cargas fijas del mismo signo (positiva o negativa). En principio, dado 

que se tratan de cargas con signos iguales en cada una de ellas aparecerá una fuerza de repulsión en contra de la otra. Imagina nuevamente que una de ellas se encuentra en un punto A y que podemos cogerla con la mano y situarla hasta un punto B más cercano. Al hacer esto, como en el caso anterior:

● Si aplicas la definición de trabajo, dado que el desplazamiento se produce en la 

dirección y sentido de la fuerza externa, el trabajo que realiza esta fuerza (Wf) será 

positivo (Wf>0).                                               

● Como el desplazamiento se produce en sentido contrario a la fuerza eléctrica, el 

trabajo eléctrico será negativo (We<0).

● Si aplicas la definición de energía potencial eléctrica, podrás comprobar que la 

energía en B es mayor que en A, por tanto (ΔEp>0).

El trabajo que realiza la fuerza externa al acercarlas, hace que las cargas adquieran energía potencial. Si ahora la soltamos, la fuerza eléctrica se encargará de alejarlas realizando un trabajo que consumirá parte o toda la energía potencial que poseen.Fíjate que tal y como indicamos en la fórmula inicial, cuando se aplica la fuerza externa, el signo del trabajo del campo eléctrico es exactamente el contrario al del trabajo realizado por la fuerza eléctrica y al de la diferencia de energía potencial.

Energía potencial eléctrica de un sistema de más de dos 

partículas

Si en lugar de poseer dos cargas puntuales, disponemos de más cargas, podemos 

calcular la energía potencial del sistema sumando algebraicamente la energía potencial 

eléctrica entre cada pareja de cargas. Por ejemplo, si disponemos de tres cargas q1, q2 y 

q3 la energía potencial eléctrica del sistema se obtiene por medio de la siguiente 

expresión:

𝐸𝑝=𝐾·𝑞1·𝑞2𝑟1,2+𝐾·𝑞1·𝑞3𝑟1,3+𝐾·𝑞2·𝑞3𝑟2,3

La energía potencial de un sistema formado por varias cargas puntuales equivale al 

trabajo necesario que debería realizar una fuerza exterior para ensamblar las cargas en 

esas posiciones trayéndolas desde el infinito.

Energía potencial eléctrica y energía cinética

Si dos o más cargas puntuales se encuentran sometidas únicamente a la fuerza eléctrica, 

la energía total del sistema es siempre la misma (permanece constante). Esto es debido 

a que la fuerza eléctrica es una fuerza conservativa. ¿Que consideraciones tiene esto?. 

En primer lugar, que la suma de la energía cinética y la energía potencial de el sistema 

es independiente del punto en que se encuentre, por tanto entre dos puntos A y B se 

cumple

Qué es el voltaje eléctrico: tipos y cómo medirlo

Si estás interesado en saber qué es el voltaje y tipos que existen del mismo, en el presente 

artículo se explicará de forma detallada en qué consiste, cómo puede medirse y cuáles 

son los diferentes tipos de voltaje eléctrico que hay.

¿Qué es el voltaje?

El voltaje se define como la magnitud encargada de establecer la 

diferenciación de potencial eléctrico que existe entre dos puntos. Es por esto que también se le conoce como tensión eléctrica, o diferencia de potencial eléctrica.En su definición más técnica, el voltaje consiste en el trabajo que ejerce una unidad de carga eléctrica en una partícula de un campo eléctrico determinado, de forma que dicha unidad sea capaz de moverse a través de dos puntos.Un punto importante sobre el voltaje es que, cuando dos puntos de diferente potencial eléctrico se presentan con un conductor, se efectuará de manera natural un flujo de electrones, popularmente conocido como corriente eléctrica. Dicha corriente, es la encargada de llevar una parte de la carga eléctrica proveniente del punto de mayor potencial, hasta el punto de potencial más bajo.

¿Cómo se mide el voltaje?

El voltaje se mide mediante una herramienta de 

medición denominada voltímetro. Ésta se instala 

paralelamente con respecto a la fuente de energía, cuyo nivel de potencial eléctrico se desea medir.Sin embargo, el voltímetro no es la única herramienta que puede usarse para medir el voltaje, ya que existen otras, como el potenciómetro o el multímetro, que cumplen la misma función.En cualquier caso, el voltaje se calcula al considerar cuál es la energía total que se necesita para mover una carga eléctrica a través de todo el circuito específico y, posteriormente, se divide dicha carga entre su magnitud.En este sentido, el Sistema Internacional establece que la medida de la tensión eléctrica son los llamados voltios, que se representan con la letra V. El origen 

etimológico de la palabra se encuentra en Alejandro Volta, quien inventó la pila 

voltaica en el siglo XVII. Los voltios se pueden obtener al dividir un Julio por un 

Coulomb.

Ley de Ohm

La Ley de Ohm está directamente relacionada con la medición del voltaje. Ésta establece 

que la diferencia potencial o voltaje que se aplica entre cada uno de los extremos de un 

conductor, es igual a la proporción de corriente (I) circulante en el circuito, de acuerdo a 

su nivel de resistencia. Esta ley fue postulada por el físico Georg Simon Oh, de origen 

alemán. La fórmula que la describe es V=R I.

Llegados a este punto, si estás interesado en conocer la potencia eléctrica más óptima 

para tu hogar, en Iberdrola contamos con la Calculadora de Potencia Eléctrica, una 

herramienta que te permitirá calcular la potencia que necesitas en sencillos pasos y 

ahorrar en tu factura de la luz.

Electrodinamica

La electrodinámica es una rama de la física que se ocupa del movimiento de las cargas 

eléctricas y sus interacciones. Permíteme explicarte más sobre este fascinante campo:

Fundamentos de la Electrodinámica:

 La electrodinámica describe cómo evolucionan en el tiempo un conjunto de 

partículas con masa y carga eléctrica, considerando sus posiciones y velocidades iniciales.

 Si se trata de un gran conjunto de partículas con momentum pequeño, su 

movimiento y las interacciones se describen macroscópicamente mediante la 

electrodinámica clásica. Esta utiliza las leyes de Newton del movimiento y las leyes 

de Maxwell.

 Cuando el momentum de las partículas es grande y el número de partículas es pequeño, debemos considerar los efectos relativistas y cuánticos. Esto depende de la energía de los fotones involucrados durante la interacción. Los fotones, partículas sin carga ni masa práctica, se intercambian en atracciones o repulsiones eléctricas.

Corrientes eléctricas

Se llama corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material conductor, 

debido al desplazamiento de los electrones que orbitan el núcleo de los átomos que 

componen al conductor.

Este movimiento de partículas se inicia una vez que en los extremos del conductor se 

aplica una tensión externa, como una batería, por ejemplo. Esta tensión genera un campo 

eléctrico sobre los electrones que, al poseer carga negativa, se ven atraídos hacia la 

terminal positiva.

Para transmitirse, la corriente eléctrica requiere de materiales que dispongan de una 

gran cuota de electrones libres, es decir, ubicados en su última órbita alrededor del núcleo y, por lo tanto, susceptibles de movilizarse al estar menos fuertemente atraídos por éste. En ese sentido puede distinguirse entre materiales conductores, semiconductores y aislantes, de acuerdo a su capacidad de transmitir la corriente eléctrica (buena, poca y nula, respectivamente).Los primeros experimentos con la electricidad fueron en el siglo XVIII y disponían únicamente de cargas eléctricas obtenidas por frotamiento (estática) o por inducción. Hubo que esperar hasta 1800 para comprobar el movimiento constante de una carga eléctrica, cuando el físico italiano Alessandro Volta inventó la pila eléctrica.

Tipos de corriente eléctrica

Según su naturaleza, la corriente eléctrica 

puede ser de varios tipos:

● Corriente continua (CC). También llamada corriente directa (CD), consiste en un flujo de cargas eléctricas que no cambia su sentido en el tiempo, es decir, que se produce en base a una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) cuyos terminales de mayor y menor potencial no son intercambiables. Dicho de otro modo, su sentido de circulación es siempre el mismo.

● Corriente alterna (CA). A diferencia de la continua, se trata de una corriente eléctrica cuyo sentido y dirección varía cíclicamente. Esta corriente se describe matemáticamente por ondas senoidales y en términos energéticos es mucho más eficiente que la corriente continua, razón por la cual la reciben los hogares y las empresas. Fue inventada por Nikola Tesla a finales del siglo XIX.

Circuito Eléctrico

En electrónica, un circuito eléctrico se define como una trayectoria o camino completo y cerrado a través del cual puede circular una corriente eléctrica. Esto puede significar un sistema de conductores y componentes eléctricos que forman el camino o circuito. Un circuito simple consta de una fuente de corriente, conductores y una carga. En resumen:

● Fuente de corriente: Proporciona la energía eléctrica al circuito. Puede ser una batería o un generador.

● Conductores: Son los cables o elementos que permiten que la corriente fluya desde la fuente hasta la carga.                           Carga: Es el componente que utiliza la energía eléctrica, como una lámpara, motor o dispositivo electrónico.

En Paralelo y en Serie

Circuito en serie:

• Todos los componentes están conectados uno detrás de otro, formando una sola ruta para el flujo de corriente.
• 
   La misma corriente fluye a través de todos los componentes del circuito.
• Si un componente se desconecta o se rompe, todo el circuito se interrumpe.
  
• La resistencia total en un circuito en serie es la suma de las resistencias individuales.

Ejemplo: Luces de Navidad conectadas en serie.

Circuito en paralelo:

• Los componentes están conectados mediante ramificaciones, formando exactamente dos conjuntos de nodos eléctricamente comunes.
• 
   La corriente eléctrica se divide entre los componentes.
• Si un componente se desconecta o falla, los demás siguen funcionando.
  
• La resistencia total en un circuito en paralelo se calcula de manera diferente y es menor que la resistencia individual más baja.

Ejemplo: Tomacorrientes en una casa.Potencia eléctrica

Potencia eléctrica

La potencia eléctrica es la proporción de corriente eléctrica que se transfiere en un circuito eléctrico por unidad de tiempo. En otras palabras, es la cantidad de energía eléctrica que genera o disipa un elemento durante un período determinado. La unidad de potencia en el sistema internacional es el vatio (W). Por ejemplo, las compañías eléctricas facturan el consumo en kilovatios-hora (kWh).

Efecto Juole

El efecto Joule es un fenómeno que ocurre cuando, a través de un material conductor con cierta resistencia, pasa una corriente eléctrica, y parte de la energía de dicha corriente se convierte en calor. Esta disipación de calor es debido a la colisión de los electrones de la corriente con los átomos del material conductor1. En resumen, cuando fluye electricidad a través de un conductor, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques con las moléculas del conductor.

Leyes de Kirchhoff

Las leyes de Kirchoff consisten en aplicar el principio de conservación de la carga eléctrica y el principio de conservación de la energía a los circuitos eléctricos, con la finalidad de resolver los que tienen varias mallas.Estas reglas, ya que no son leyes en el sentido estricto, se deben al físico alemán Gustav Kirchoff (1824-1887). Su uso es imprescindible cuando la ley de Ohm no es suficiente para determinar voltajes y corrientes en el circuito.

Previo al enunciado y aplicación de las leyes de Kirchoff, es conveniente recordar el significado de algunos conceptos importantes sobre circuitos eléctricos:

Nodo: punto de unión entre dos o más alambres conductores.

Rama: elementos del circuito que se encuentran entre dos nodos consecutivos, a través de los cuales circula la misma corriente.

Malla: trayectoria o lazo cerrado compuesto de dos o más ramas y que se recorre en un mismo sentido, sin pasar dos veces por el mismo punto.

Primera ley de Kirchoff

Es conocida también como ley de las corrientes o regla de los nodos, y establece que:La suma de las corrientes que entra a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de él.Así que, en forma matemática, la primera ley se expresa como:

∑ I = 0

Donde el símbolo Σ indica una sumatoria. La ecuación anterior establece que, como la carga eléctrica no se crea ni se destruye, toda la corriente (carga por unidad de tiempo) que entra al nodo, debe ser igual a la que sale de él.

Segunda ley de Kirchoff

Otros nombres para la segunda ley de Kirchoff son: ley de los voltajes, ley de las tensioneso ley de las mallas. En cualquier caso, establece que:La suma algebraica de las caídas de tensión a lo largo de una malla es igual a 0.Esta es una forma de aplicar la conservación de la energía en el circuito, ya que el voltaje en cada elemento es el cambio de energía por unidad de carga.Por lo tanto, al recorrer una porción cerrada (una malla), la suma algebraica de las subidas y caídas de tensión es 0 y se puede escribir:

∑ V = 0

Solución de circuitos

Para resolver circuitos eléctricos más complejos, como aquellos con resistencias conectadas en serie y paralelo junto con componentes reactivos (como condensadores o inductores), existen varios métodos. Aquí te presento algunos enfoques que puedes utilizar:

1. Teorema de Thevenin:

Este teorema nos permite simplificar un circuito lineal complejo en un equivalente más manejable. Pasos:

•  Desconecta todas las fuentes de energía del circuito, excepto una.
• Analiza el circuito considerando solo la fuente activa.
• 
   Repite el proceso para cada fuente restante.
  
•  Aplica el principio de superposición para obtener la respuesta total.
• Calcula las corrientes o voltajes en los elementos del circuito.

2. Análisis Nodal y de Malla:

•  Estos métodos son útiles para resolver circuitos complejos.
•  El análisis nodal se basa en la conservación de la corriente en los nodos del circuito.
•  El análisis de malla utiliza las leyes de Kirchhoff para simplificar el circuito.
  
  
  

Referencias

•  Energía Térmica - Concepto, obtención, ejemplos y características. (n.d.). 
• Concepto.de. https://concepto.de/energia-termica/
•  Calor. (n.d.). Www.fisicalab.com. 
• https://www.fisicalab.com/apartado/calor
•  Definición de calorimetría — Definicion.de. (n.d.). Definición.de. 
• https://definicion.de/calorimetria/
•  Adrián, F., & Carballo, J. (n.d.). CALOR Y CALORIMETRÍA. 
• https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/10196/Calor%20y
• %20calorimetr%C3%ADa.pdf?sequence=1&isAllowed=y
•  Electrostática - Concepto y fenómenos electrostáticos. (n.d.). Concepto.de. 
• https://concepto.de/electrostatica/
•  Carga Eléctrica - Concepto, tipos, propiedades y Ley de Coulomb. (n.d.). 
• Concepto.de. https://concepto.de/carga-electrica/
•  Ley de Coulomb. (n.d.). Www.fisicalab.com. 
• https://www.fisicalab.com/apartado/ley-de-coulomb
•  Energía Potencial Eléctrica. (n.d.). Www.fisicalab.com. 
• https://www.fisicalab.com/apartado/energia-potencial-electrica