Fundamentos Esenciales de Física: Termodinámica, Óptica y Mecánica
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Conceptos Fundamentales de Termodinámica
Calor
El calor es la energía transferida de una cosa a otra debido a una diferencia de temperatura entre ellas. La materia no contiene calor, solo energía cinética molecular y quizás potencial molecular, pero nunca calor. El calor es energía en tránsito entre dos cuerpos a distintas temperaturas.
Formas de Transferencia de Calor
- Conducción: Transferencia de calor que tiene lugar por transmisión de energía de una partícula a otra sin desplazamiento de estas.
- Convección: Es la transferencia de calor que tiene lugar mediante el movimiento de partículas de un fluido (el transporte es efectuado, por ejemplo, por moléculas de aire).
- Radiación: Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, sin la intervención de partículas que lo transporten.
Temperatura y Propiedades Térmicas
La Temperatura es la cantidad que indica lo caliente o frío que está un objeto con respecto a una norma. Para medirla se utiliza el termómetro y se expresa con un número, correspondiendo al estado térmico de algo de acuerdo a una escala determinada.
El Coeficiente de Conductibilidad Térmica (k) da una idea de qué tan rápido viaja el calor en un material. Se llama conductividad del material. Si k es grande, el objeto es un buen conductor. La unidad de medida es: K: kcal/(m·s·ºC).
Fundamentos de Óptica Geométrica
Refracción e Índice de Refracción
La Refracción ocurre cuando la luz se encuentra con un medio transparente y lo atraviesa, cambiando su dirección.
El Índice de Refracción (n) es la relación que se establece entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en el medio material (v). Cada material tendrá su propio índice de refracción, que dependerá de la velocidad de la luz en él. Cuanto mayor sea el índice de refracción de un material, menor será la velocidad de la luz en el medio considerado.
Reflexión y Difusión de la Luz
La Reflexión de la luz es el fenómeno que ocurre cuando un rayo luminoso que incide en una superficie pulida cambia de dirección, volviendo al medio de donde proviene. Estas superficies pueden ser espejos planos o curvos.
Cuando la luz penetra por una apertura en una habitación oscura y llega a una superficie rugosa, parte de la luz se refleja y parte se difunde en todas direcciones, iluminando el ambiente. Este fenómeno se denomina Reflexión Difusa o Difusión de la Luz.
Ángulo Límite y Reflexión Total
El Ángulo Límite es el ángulo incidente con el cual el rayo refractado forma un ángulo de 90º con respecto a la normal. Si el ángulo incidente fuera mayor a este ángulo, se produciría una reflexión total interna y no una refracción.
Óptica de Lentes
La Dioptría es la unidad de medida de la potencia de una lente, siendo inversamente proporcional a la distancia focal de la misma.
Cinemática
La Velocidad es la variación de la posición con respecto a una unidad de tiempo.
La Aceleración es la variación de la velocidad.
Defectos de la Visión
Miopía e Hipermetropía
La Miopía es causada por el alargamiento del globo ocular, quedando la imagen enfocada delante de la retina, lo que resulta en una visión borrosa. Para corregirla, se utilizan lentes divergentes, aumentando la distancia focal del sistema.
La Hipermetropía es causada por el acortamiento del globo ocular, quedando la imagen enfocada detrás de la retina. Se corrige con lentes convergentes.
El Equivalente Mecánico del Calor: Experiencia de Joule
La Experiencia de Joule fue diseñada para determinar la cantidad de trabajo necesario para producir una determinada cantidad de calor, específicamente, la cantidad de trabajo que se debe realizar para elevar la temperatura de un gramo de agua en 1 ºC.
Descripción del Experimento
El experimento consiste en un recipiente con agua (sistema) que contiene un agitador sumergido. El giro del agitador estaba accionado por la bajada de un peso. El agua se encuentra en un contenedor de pared adiabática.
Las pesas caen desde una altura (h), lo que provoca la pérdida de energía potencial, causando un incremento de la temperatura del agua. Este resultado nos indica que 4.18 Joule de energía mecánica son equivalentes a una cantidad de energía térmica (el equivalente mecánico del calor).