| name | physics-intermediate |
| description | Termodinámica, electromagnetismo (Coulomb, campos, circuitos, Faraday, Lenz), óptica geométrica, MCA y colisiones. |
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Física Intermedia
Referencias de autoridad
- Sears & Zemansky — University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley (cap. 17-30)
- Halliday, Resnick & Walker — Fundamentals of Physics, Wiley (cap. 21-36)
- Serway & Jewett — Physics for Scientists and Engineers, Cengage Learning
- Giancoli, D. — Physics: Principles with Applications, Pearson
Contenido clave
Termodinámica
Ley cero: Si A está en equilibrio térmico con C, y B también, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí. Define la temperatura.
Primera ley: ΔU = Q - W
- ΔU = cambio en energía interna
- Q = calor transferido AL sistema (Q > 0 entra, Q < 0 sale)
- W = trabajo realizado POR el sistema (W > 0 expande, W < 0 comprime)
- Para gas ideal: ΔU = nCᵥΔT (solo depende de T)
Segunda ley:
- Enunciado de Clausius: el calor no fluye espontáneamente de frío a caliente.
- Enunciado de Kelvin-Planck: es imposible construir una máquina térmica que convierta TODO el calor en trabajo (rendimiento < 100%).
- Entropía: ΔS ≥ 0 para sistema aislado. ΔS = Q/T (proceso reversible).
- La entropía total del universo siempre aumenta en procesos irreversibles.
Tercera ley: Al acercarse T → 0 K, la entropía de un cristal perfecto tiende a cero.
Gas ideal: PV = nRT
- R = 8.314 J/(mol·K) = 0.08206 L·atm/(mol·K)
- n = masa / masa molar = m/M
- Número de Avogadro: Nₐ = 6.022 × 10²³ mol⁻¹
Procesos termodinámicos:
- Isocórico (V constante): W = 0, Q = nCᵥΔT, ΔU = Q
- Isobárico (P constante): W = PΔV, Q = nCₚΔT, ΔU = nCᵥΔT
- Isotérmico (T constante, gas ideal): ΔU = 0, Q = W = nRT ln(V_f/V_i)
- Adiabático (Q = 0): ΔU = -W, PV^γ = constante, γ = Cₚ/Cᵥ
Ciclos termodinámicos:
- Rendimiento: η = Wₙₑₜ/Qₑₙₜ�ᵣₐ = 1 - Qₛₐₗₑ/Qₑₙₜᵣₐ
- Ciclo de Carnot (máximo teórico): η = 1 - T_c/Tₕ (T en Kelvin)
- Refrigerador: COP = Q_fría/W = T_c/(Tₕ - T_c) (Carnot)
Electrostática
Ley de Coulomb: F⃗ = k · q₁q₂/r² · r̂
- k = 1/(4πε₀) = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
- ε₀ = 8.854 × 10⁻¹² C²/(N·m²) (permitividad del vacío)
- F es atractiva si signos opuestos, repulsiva si mismos signos
Campo eléctrico: E⃗ = F⃗/q₀ = kQ/r² · r̂ (punto)
- Superposición: E⃗_total = ΣE⃗ᵢ
- Líneas de campo: salen de cargas positivas, entran en negativas
Potencial eléctrico:
- V = kQ/r (potencial de carga puntual)
- ΔV = -∫E⃗ · dl⃗ (diferencia de potencial)
- E⃗ = -∇V (campo es gradiente negativo del potencial)
- Unidad: volt (V) = J/C
Capacitancia: C = Q/V
- Condensador paralelo: C = ε₀A/d
- En paralelo: Cₜₒₜ = C₁ + C₂ + ...
- En serie: 1/Cₜₒₜ = 1/C₁ + 1/C₂ + ...
- Energía almacenada: U = ½CV² = ½QV = Q²/(2C)
Circuitos eléctricos
Ley de Ohm: V = IR
- R = resistancia (ohm, Ω)
- I = corriente (amperio, A)
- V = diferencia de potencial (volt, V)
Resistencias:
- Serie: Rₜₒₜ = R₁ + R₂ + ...
- Paralelo: 1/Rₜₒₜ = 1/R₁ + 1/R₂ + ...
- Potencia disipada: P = IV = I²R = V²/R
Leyes de Kirchhoff:
- Nodos (KCL): ΣIₑₙₜᵣₐ = ΣIₛₐₗₑ (conservación de carga)
- Mallas (KVL): ΣV = 0 alrededor de cualquier malla cerrada (conservación de energía)
Inducción electromagnética
Ley de Faraday: ε = -dΦ_B/dt
- Φ_B = ∫B⃗ · dA⃗ = BA cos(θ) (flujo magnético)
- ε = fuerza electromotriz inducida
- Para N espiras: ε = -N · dΦ_B/dt
Ley de Lenz: La corriente inducida fluye en dirección tal que su campo magnético se OPONE al cambio de flujo que la produjo. El signo negativo en Faraday refleja esto.
Óptica geométrica
Ley de reflexión: θᵢ = θᵣ (ángulo de incidencia = ángulo de reflexión)
Ley de Snell (refracción): n₁sen(θ₁) = n₂sen(θ₂)
- n = c/v = índice de refracción
- n_agua ≈ 1.33, n_vidrio ≈ 1.5, n_air ≈ 1.0003
Ángulo crítico (reflexión total interna): sen(θ_c) = n₂/n₁ (n₁ > n₂)
Espejos esféricos:
- Espejo cóncavo: 1/f = 1/dₒ + 1/dᵢ, f = R/2 (f > 0)
- Espejo convexo: f < 0 (focal virtual)
- Aumento: M = -dᵢ/dₒ = hᵢ/hₒ
Lentes delgadas:
- 1/f = 1/dₒ + 1/dᵢ (misma fórmula que espejos)
- Lente convergente: f > 0
- Lente divergente: f < 0
- Potencia: P = 1/f (dioptrías, f en metros)
MCA — Momento lineal y colisiones
Momento lineal: p⃗ = mv⃗ (vector)
Teorema impulso-momento: J⃗ = ∫F⃗dt = Δp⃗
Conservación del momento: Si ΣF⃗_ext = 0, entonces p⃗_total = constante.
Colisiones:
- Elástica: se conserva momento Y energía cinética.
- m₁v₁ᵢ + m₂v₂ᵢ = m₁v₁f + m₂v₂f
- ½m₁v₁ᵢ² + ½m₂v₂ᵢ² = ½m₁v₁f² + ½m₂v₂f²
- Para masas iguales: intercambian velocidades
- Inelástica: se conserva momento, NO energía cinética.
- Completamente inelástica: cuerpos quedan unidos tras colisión.
- m₁v₁ᵢ + m₂v₂ᵢ = (m₁ + m₂)v_f
- Máxima pérdida de energía cinética posible sin violar conservación de momento
Centro de masas: R⃗_cm = Σmᵢr⃗ᵢ/Σmᵢ
Unidades y sistema SI
| Magnitud | Unidad SI | Símbolo | Equivalencias |
|---|
| Temperatura | kelvin | K | T(K) = T(°C) + 273.15 |
| Calor/Energía | joule | J | 1 cal = 4.186 J |
| Calor específico | J/(kg·K) | J/(kg·K) | |
| Entropía | J/K | J/K | |
| Carga eléctrica | culombio | C | 1 C = 1 A·s |
| Campo eléctrico | N/C o V/m | N/C, V/m | |
| Potencial eléctrico | volt | V | 1 V = 1 J/C |
| Capacitancia | faradio | F | 1 F = 1 C/V |
| Resistencia | ohm | Ω | 1 Ω = 1 V/A |
| Corriente | amperio | A | |
| Flujo magnético | weber | Wb | 1 Wb = 1 V·s |
| Inducción magnética | tesla | T | 1 T = 1 N/(A·m) |
| Índice de refracción | adimensional | — | |
Errores comunes / Pitfalls
- Confusión campo/potencial eléctrico: E⃗ es vectorial (N/C), V es escalar (V). E⃗ = -∇V. Campo cero NO implica potencial cero (ej: punto medio entre dos cargas iguales: E⃗ = 0, V ≠ 0).
- Signo en Ley de Lenz: el signo negativo NO es arbitrario. Indica que la FEM inducida se OPONE al cambio de flujo. Si el flujo aumenta, la FEM tiende a reducirlo; si disminuye, tiende a aumentarlo.
- Tipo de colisiones: en elástica se conservan momento Y energía cinética. En inelástica SOLO momento. En completamente inelástica, los cuerpos se unen y hay MÁXIMA pérdida de energía cinética compatible con conservación de momento.
- Unidades termodinámicas (K vs °C): todas las ecuaciones termodinámicas (gas ideal, Carnot, entropía) requieren Kelvin. T(K) = T(°C) + 273.15. NUNCA usar °C en PV = nRT o η = 1 - T_c/Tₕ.
- Lente vs espejo: la fórmula 1/f = 1/dₒ + 1/dᵢ es la misma, pero los signos de f cambian. Cóncavo: f > 0; convexo: f < 0. Convergente: f > 0; divergente: f < 0.
- Capacitores en serie/paralelo: en paralelo, V es igual y Q se suma. En serie, Q es igual y V se suma. Invertido respecto a resistencias.
- Resistencia vs conductancia: R = ρL/A. Si duplicas longitud, R se duplica. Si duplicas área, R se reduce a la mitad.
Verificación
