Resumen de Física Fundamental: Energía, Termodinámica e Hidrodinámica

## Introducción La termodinámica estudia cómo se intercambian y transforman la **energía** y el **calor** en los sistemas físicos. Es clave para entender procesos naturales y dispositivos tecnológicos como motores, refrigeradores y centrales eléctricas. Este material explica los conceptos fundamentales, leyes, procesos y aplicaciones prácticas con ejemplos. ## Conceptos básicos > **Definición:** La termodinámica es la rama de la física que estudia las relaciones entre calor, trabajo y energía dentro de sistemas macroscópicos. ### Magnitudes principales - **Temperatura:** medida que indica el estado térmico de un cuerpo. - **Calor:** energía transferida debido a una diferencia de temperatura. - **Trabajo:** energía transferida por fuerzas macroscópicas que actúan sobre un sistema. - **Energía interna:** suma de las energías microscópicas de las partículas del sistema. > **Definición:** Sistema termodinámico: porción del universo elegida para el análisis. ### Tipos de sistemas | Tipo | Intercambio de materia | Intercambio de energía | Ejemplo | |---|---:|---:|---| | Sistema abierto | Sí | Sí | Olla destapada | | Sistema cerrado | No | Sí | Botella sellada | | Sistema aislado | No | No | Termo ideal | ## Ley cero de la termodinámica > **Definición:** Si A está en equilibrio térmico con B y B está en equilibrio térmico con C, entonces A está en equilibrio térmico con C. - Permite definir temperatura y justificar el uso de termómetros. ## Primera ley de la termodinámica (conservación de la energía) > **Enunciado:** La variación de la energía interna $\,\Delta U\,$ de un sistema es igual al calor $Q$ añadido al sistema menos el trabajo $W$ realizado por el sistema: $$\Delta U = Q - W$$ - Si entra calor al sistema, su energía interna puede aumentar. - Si el sistema realiza trabajo, pierde energía interna. Ejemplo práctico: un gas en un pistón que se expande absorbe calor y realiza trabajo sobre el pistón. ## Segunda ley de la termodinámica > **Enunciado:** En cualquier proceso real, la entropía total del universo aumenta; por tanto, ninguna máquina térmica puede ser 100% eficiente. - Definición de entropía: medida de la dispersión de la energía o del desorden molecular. - Aplicaciones: explica por qué siempre hay pérdidas en motores y por qué los refrigeradores requieren trabajo para extraer calor. Fun fact: ¿Sabías que la segunda ley explica por qué el hielo derretido a temperatura ambiental no vuelve espontáneamente a su forma sólida sin intervención externa? ## Leyes y relaciones de estado para gases > **Definición:** La ley de los gases ideales relaciona presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia. - Ecuación de estado del gas ideal: $$pV = nRT$$ donde $p$ es la presión, $V$ el volumen, $n$ el número de moles, $R$ la constante universal y $T$ la temperatura absoluta. - Comportamiento general: al aumentar la temperatura las partículas se mueven más rápido y, para volumen constante, aumenta la presión. ## Procesos termodinámicos (gas ideal) - **Isotérmico:** temperatura constante ($\Delta T = 0$). Ejemplo: compresión lenta del gas en contacto con un baño térmico. - **Isobárico:** presión constante. Ejemplo: calentamiento del aire en un cilindro con émbolo libre. - **Isocórico (isométrico):** volumen constante ($\Delta V = 0$). Ejemplo: calentamiento en recipiente rígido. - **Adiabático:** no hay transferencia de calor ($Q = 0$). Ejemplo aproximado: compresión rápida de un gas. Tabla comparativa de procesos | Proceso | Magnitud constante | Transferencia de calor | Aplicación típica | |---|---|---:|---| | Isotérmico | $T$ | Sí | Expansión lenta en baño térmico | | Isobárico | $p$ | Sí | Calentamiento con émbolo libre | | Isocórico | $V$ | Sí/No (no trabajo) | Calentamiento en recipiente rígido | | Adiabático | Ninguna (Q=0) | No | Compresiones/expansiones rápidas | ## Entropía y eficiencia - Para una máquina térmica, la eficiencia ideal entre dos fuentes a temperaturas $T_{hot}$ y $T_{cold}$ viene dad