Termodinámica, Ondas y Óptica: Conceptos y Fenómenos

Termodinámica

Escalas Termométricas

Existen tres tipos principales de escalas termométricas:

• Centígrada (0 °C - 100 °C)
• Kelvin (273 K - 373 K)
• Fahrenheit (32 °F - 212 °F)

Transferencia de Calor con Cambio de Temperatura

Cuando un cuerpo pierde o gana calor, la cantidad depende de:

• La masa del objeto.
• La diferencia entre la temperatura inicial y final.
• El tipo de sustancia, que se caracteriza por el calor específico. El calor específico es la cantidad de calor en julios que se debe suministrar a un kilogramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 °C.

Determinación del Calor Específico de una Sustancia

Primero, se mantiene el objeto en un calorímetro con agua a temperatura ambiente hasta que se alcanza el equilibrio térmico. La ecuación que describe este proceso es:

Q_ganado(H₂O) = Q_perdido(obj)

m₁ * c(4180) (T_e - T_equilibrio) = m₂ * C(4180) (T_e - t₂)

Transferencia de Calor sin Cambio de Temperatura

Cuando se suministra calor a una sustancia que se encuentra a su temperatura de fusión o ebullición, todo el calor suministrado se utiliza para realizar el cambio de estado, manteniendo constante la temperatura. Esto se describe mediante la ecuación:

Q = m * L

Donde Q es el calor, m es la masa y L es el calor latente de evaporación o fusión. Alternativamente:

Q = m * C_e * Δt

Dilatación

Cuando los cuerpos reciben calor, aumenta su energía térmica y su temperatura, y en algunos casos se produce la dilatación.

• Dilatación lineal: L = L₀ + L₀λΔT
• Dilatación superficial: S = S₀ + S₀βΔT
• Dilatación cúbica: V = V₀ + V₀γΔT

Dilatación de Líquidos

El agua presenta una excepción llamada dilatación anómala. Entre 0 °C y 4 °C, el agua se contrae, y a partir de 4 °C comienza su dilatación normal.

Dilatación de Gases

Los gases son las sustancias que más se dilatan. La fórmula para calcular la dilatación de un gas es:

V = V₀ * (1 + γt)

Donde γ = 1/273.

Transferencia de Energía Térmica

La energía térmica se transfiere de un objeto caliente a uno frío. Esto puede ocurrir de tres maneras:

a) Conducción: Al poner en contacto dos objetos, las partículas del objeto más caliente aumentan su energía cinética y, por lo tanto, su energía térmica.

b) Convección: Un fluido frío entra en contacto con uno caliente, aumentando su temperatura y disminuyendo su densidad. El fluido caliente asciende y el frío desciende, creando corrientes de convección.

c) Radiación: Es la emisión continua de energía en forma de radiación electromagnética desde la superficie de cualquier cuerpo.

Equivalencia y Degradación de la Energía

La caloría se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 °C. La equivalencia entre calorías y julios es:

1 cal = 1 g * C_e * 1 °C

1 cal = 4.18 J

La degradación de la energía se refiere a que la energía mecánica se puede convertir en calor, pero no todo el calor se puede convertir en energía mecánica.

Máquinas Térmicas

Son dispositivos que permiten transformar la energía térmica en energía mecánica y en energía eléctrica. El rendimiento (Rto) se calcula como:

Rto = (W / Q) * 100 = (Q₁ - Q₂) / Q₁ * 100

Fuentes de Energía

• No renovables: Se encuentran en la naturaleza de forma limitada y su velocidad de consumo es mayor que su regeneración (centrales térmicas y nucleares).
• Renovables: Se pueden regenerar de manera natural o artificial (energía hidroeléctrica, eólica, geotérmica, solar termoeléctrica, biometano, solar fotovoltaica, energía de las olas y de las mareas).

Ondas

Movimiento Ondulatorio (M.O.)

En el movimiento ondulatorio se transmite energía en forma de movimiento vibratorio, sin transporte de materia. Una onda es la forma en que se propaga la perturbación en cada instante.

Tipos de Ondas

• Mecánicas y electromagnéticas.
• Según la dirección del movimiento vibratorio y la dirección de propagación:
  • Longitudinales: El movimiento vibratorio de las partículas se produce en la misma dirección que la propagación de la onda (ejemplo: un muelle).
  • Transversales: El movimiento vibratorio ocurre en una dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda (ejemplo: una piedra en el agua).

Características de las Ondas

1. Velocidad de propagación: Distancia que recorre la onda en la unidad de tiempo.
2. Longitud de onda: Distancia entre dos puntos consecutivos que se encuentran en el mismo estado de vibración.
3. Período: Tiempo que tarda la perturbación en recorrer la distancia de una longitud de onda.
4. Frecuencia: Número de vibraciones por minuto afectadas por el movimiento ondulatorio.
5. Amplitud: Separación máxima desde el punto de equilibrio de un punto afectado por el movimiento ondulatorio.
6. Intensidad: Energía que incide por unidad de superficie y tiempo. La unidad de intensidad es el vatio (W).

Relaciones:

V = f * Δ

f * t = 1

v = Δ / t

f = 1 / t

Fenómenos Ondulatorios

Reflexión de las Ondas

Cuando un tren de ondas choca con una superficie lisa y no puede atravesarla, cambia de dirección. Se cumplen las siguientes leyes:

1. El rayo incidente, el reflejado y la normal están en el mismo plano.
2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Refracción

Consiste en el cambio de velocidad que experimenta un tren de ondas al pasar de un medio a otro (con diferente profundidad y densidad). Se cumplen las siguientes leyes:

1. El rayo incidente, el refractado y la normal están en el mismo plano.
2. Cuando la onda pasa de un medio a otro más denso, se acerca a la normal.
3. Cuando el rayo incidente llega en la dirección de la normal, no sufre desviación.

Difracción de Ondas

Cuando el movimiento ondulatorio encuentra un obstáculo o una abertura de tamaño menor o igual a su longitud de onda, cambia de dirección.

Sonido

Se origina en la vibración de los cuerpos y es una onda mecánica longitudinal. La velocidad del sonido es constante en el aire (aproximadamente 340 m/s) y mayor en líquidos y sólidos. El sonido, como movimiento ondulatorio, puede reflejarse y refractarse, con algunas particularidades.

Reflexión del Sonido

• Eco: Se produce cuando el sonido se refleja en una superficie que se encuentra a 17 metros o más del emisor.
• Reverberación: Se produce cuando la distancia es menor a 17 metros.

Refracción del Sonido

Ocurre cuando el sonido pasa de capas de aire frío a capas de aire caliente o viceversa, con diferentes densidades que provocan variaciones en la velocidad y dirección del sonido.

Cualidades del Sonido

1. Intensidad física: Los sonidos fuertes tienen una onda de gran amplitud y viceversa.
2. Intensidad fisiológica: Son las diferentes sensaciones que se producen en el oído al percibir cierta intensidad. Se mide en decibelios (dB).
3. Tono: Informa sobre la frecuencia del movimiento ondulatorio (sonidos graves tienen baja frecuencia).

Óptica

Luz

Es una onda transversal que forma una pequeña fracción de la radiación electromagnética. Se propaga en línea recta a una velocidad en el vacío de 3 * 10⁸ m/s.

Reflexión de la Luz

1. Difusa: La luz llega a un objeto y se refleja en todas las direcciones.
2. Especular: En espejos, los rayos reflejados salen en la misma dirección, cumpliendo la ley de reflexión.

Refracción de la Luz

En óptica, el índice de refracción de los materiales transparentes se define como:

n = V_vacío / V_material

Donde n es el índice de refracción, V_vacío es la velocidad de la luz en el vacío y V_material es la velocidad de la luz en el material. A mayor índice de refracción, menor velocidad de la luz. Cuando el ángulo de incidencia es superior al ángulo límite, se produce la refracción total.

Lentes

Una lente es un material transparente, homogéneo e isótropo, limitado por dos superficies curvas o por una plana y otra curva.

Tipos de Lentes

• Convergentes
• Divergentes

La potencia de una lente se define como:

Potencia = 1 / distancia focal

La unidad de potencia es la dioptría.

Espectro Visible

Un prisma óptico es un medio transparente, homogéneo, isótropo y limitado por dos caras planas no paralelas.

Espectro Electromagnético

La luz visible, la radiación infrarroja y la ultravioleta forman parte de un amplio espectro de ondas llamado espectro electromagnético.

Aplicaciones del Espectro Electromagnético

1. Ondas de radio: Dependen de la amplitud de onda y la frecuencia constante (AM) o viceversa (FM).
2. Ondas de televisión: Ondas cortas de aproximadamente 1 metro de longitud.
3. Rayos ultravioleta: Bronceado, enfermedades de la piel.
4. Rayos infrarrojos: Emitidos por cuerpos calientes (termogramas).
5. Rayos gamma: Longitud de onda muy corta, atraviesan metales y hormigón.
6. Microondas: La comida absorbe la radiación.
7. Rayos cósmicos: Radiación cósmica que bombardea la Tierra desde el espacio.
8. Rayos X: Revelan más información que una radiografía.

Conceptos Básicos de Ondas

Pulso: Perturbación que origina una sola vibración y se transmite en forma de una onda solitaria.

Tren de ondas: Repetición del pulso.

Foco: Punto donde se produce el pulso originario de la perturbación que se transmite.

Frente de onda: Línea formada por los puntos que han sido alcanzados por la perturbación en un mismo instante.