LA SENSACIÓN LUMINOSA Y LAS FUENTES DE LUZ.
Asi como el sentido del oido , como se vio en la acústica , representa con los sonidos , a través de la vista se establece un contacto más amplio con las cosas que nos rodean , que permite distinguir la diversidad de formas , colores , posiciones , movimientos etc.
Si nos hallamaos en un cuarto totalmente a oscuras , por má abiertos que tengamos los ojos, no vemos nada.
¿ Por qué sucede así ? Porque nuestros ojos son impresionados por la luz que emiten los cuerpos.
----Fuentes luminosas---son cuerpos que emiten radiaciones capaces de impresionar el sentido de la vista . La más importante es el sol .Existen fuentes naturales { sol } y artificiales { bujías, lámparas eléctricas , etc. }.
----Cuerpos iluminados--Son los que no producen las radiaciones mencionadas , pero al recibirlas de las fuentes luminosas las reflejaan , por lo que llegan indirectamente.
----Oscuridad---Es la falta de sensación luminosa.
----Fuente puntual .--Es la fuente luminosa cuyas dimensiones son casi nulas con respecto a la distancia hasta los cuerpos que ilumina. Las estrellas más alla del sol son fuentes puntuales.
---- Color de la luz--Es una característica que se tratará más adelante .En general se hablará de luz blanca , excepto cuando se haga la aclaración pertinente.
----Cuerpos opacos .Son los que colocados entre una fuente luminosa y el observador , no permiten recibir ninguna sensación luminosa.
-----Cuerpos transparentes . Son los que , ubicados como los anteriores ,permiten recibir la impresión luminosa , sin modificaciones.
---Cuerpos translucidos ---{ semitransparentes } .So aquellos a través de los cuales se reconoce la luz, pero no la forma de los objetos.
Propagación de la luz.
El conjunto de rayos se denomina haz de rayos.Puede ser Convergente , cuando las direcciones tienen un punto común y el sentido es hacia dicho punto; Divergente , si las direcciones tienen un punto en común , que es el origen de los rayos , y Paralelo , cuando la dirección y el sentido son iguales.
ÓPTICA GEOMÉTRICA Y ÓPTICA FÍSICA.
En los fenómenos de carácter óptico se distingue entre los que se refiere sólo a la radiación como rayo rectilíneo , los cuales forman parte de la óptica geométrica , y los referentes a la naturaleza de la fuente y la velocidad de la radiación , que son los pertenecientes a la óptica física.
La primera estudia la marcha de los rayos de luz y por lo tanto analiza la reflexión y refracción de la luz ,espejos , prismas, lentes y aparatos ópticos.
La segunda estudia la naturaleza de los fenómenos lumínicos .Así se ocupa de la fotometría , la velocidad de la luz, la descomposición de la luz ,los espectros etc.
ÓPTICA GEOMÉTRICA.
LEYES FUNDAMENTALES.
Cuatro son las leyes que rigen el desarrollo de la óptica geométrica.
1 } La propagación de la luz es rectilinea .
2 } Las diversas partes de un haz luminoso son dependientes entre sí.
3 } Ley de reflexión : Cuando un rayo llega a la superficie de separación de dos medios homogéneos
{ rayo incidente } se divide en otros dos , uno de los cuales vuelve al primer medio { rayo reflejado } , manteniéndose en el plano determinado por el incidente y la perpendicular { normal } a la superficie de separación en el punto de incidencia y formado además con la perpendicular un ángulo de reflexión I´ , igual al de incidencia i.
NOTAS:
Se puede considerar que una lente está formada por un gran número de prismas . La refracción depende del ángulo que forma el rayo de luz con la superficie de la lente.
ABERRACIONES :
La aberración cromática es un fenómeno producido por el hecho de que las diversas radiaciones de que se componen la luz blanca , al tener diferentes longitudes de onda { colores } , experimentan también distintos grados de refracción .
LAS LENTES:
Una lupa no es más que una lente . Las lentes forman parte de todos los instrumentos ópticos de manejo habitual { gafas, cámaras fotográficas y telescopios . Existen dos grandes grupos de lentes las que concentran la luz{ convexa o convergentes} y las que concentran luz{ cóncavas o divergentes}
Lentes de los instrumentos ópticos.
El ojo humano se compone de un complejo sistema de lentes , la córnea, el cristalino, y el humor vitreo.
Lupa , gafas, proyector,prismatico , camara de fotografía , faro, microscopio.
La electricidad se encuentra en los átomos.
Los protones del núcleo de un átomo están cargados positivamente, los electrones de carga negativa, se mueven desordenadamente alrededor del núcleo y en general su número es igual al de protones . Estos dos tipos de particulas se atraen y sus cargas se compensan entre si . Si escapan electrones del átomo , éste queda cargado positivamente.
CUATRO FUENTES DE ALIMENTACIÓN DISTINTAS:
Esta fuentes convierten diferentes formas de energía en energía eléctrica.
GENERADOR-----energía mecánica--electricidad.
BATERIA ----------energía quimica --electricidad.
TERMOELEMENTO---calor-- electricidad .
CÉLULA FOTOCONDUCTORA---luz-- electricidad.
NOTA :como se transforma la corriente eléctrica.
{ cable sin corriente} este cable no transporta corriente , por lo que los electrones se mueven al azar.
{ cable con corriente } es un cable por el que circula corriente eléctrica , los electrones se mueven ordenadamente en una dirección determinada.En uno de los conductores los electrones parten de la fuente de tensión, y el otro se mueve hacia ella.
Aparatos eléctricos correspondientes a esas fuentes .
{ transforman la corriente eléctrica en diferentes formas de energía } .
Motor eléctrico---electricidad--energía mecánica.
Electrolisis-----electricidad --energía quimica.
Aparatos calefactores --electricidad --calor.
Lámparas ----electricidad -- luz.
La eléctricidad.
La eléctricidad de los átomos se debe a las particulas cargadas que poseen : protones y electrones , Los electrones pueden escapar de la capa exterior de los átomos y crear asi una corriente eléctrica.
4 } Ley de refracción.
El rayo incidente , al llegar a la superficie de separación , además de dar origen al rayo reflejado , origina el rayo refractado , el cual se mantiene en el mismo plano de incidencia y forma con la normal un ángulo r, que cumple la condición.
sen i
-----= n
sen r
donde n es una constante que depende del par de medios en que se propaga el rayo luminoso.
Cuando la dirección del rayo incidente coincide con la normal a la superficie , el ángulo de incidencia es nulo y por lo tanto también lo son el de reflexión y el de refracción .La dirección del rayo incidente coincide con la prolongación del rayo refractado, y el reflejado vuelve sobre el incidente en sentido contrario.
REVERSIBILIDAD DE LAS TRAYECTORIAS.
Según las leyes fundamentales de la óptica geométrica , se deduce que si un rayo incidente pasa en un momento dado por un punto P y , después de varias reflexiones y refracciones , pasa por otro punto M, en sentido contrario y en la misma dirección pasará luego también por P en sentido contrario que el primero.
REFLEXIÓN DE LA LUZ.
Según la tecera ley {3} , cuando el rayo incidente llega a la superficie de separación de dos medios homogéneos , en el punto de incidencia se descomponen en otros dos ,uno de los cuales vuelve al primer medio { reflejado }.En dicha ley se pueden destacar dos caracteristicas fundamentales.
-------El rayo incidente , la normal y el rayo reflejado están en un mismo plano.
-------El rayo reflejado forma con la normal un ángulo de reflexión igual al de incidencia formado por el rayo incidente y la normal.
Espejos planos : espejo plano es toda superficie plana perfectamente pulida,que refleja la luz.
Campo de un espejo : se llama campo de un espejo con respecto a un punto al espacio ocupado por los rayos reflejados de los incidentes originados en dicho punto.
Espejos en ángulo y espejos paralelos: Tomando dos espejos formando un ángulo menor que un llano, al colocar un cuerpo dentro del ángulo , la imagen reflejada en cada uno actuará como objeto en el otro, originándose un conjunto de imágenes debido a la reflexión múltiple . El proceso se repite hasta que la imagen quede en la zona posterior de los mencionados espejos.
ESPEJOS ESFÉRICOS.
Son los que tienen forma de casquete esférico ,es decir , de una porción de superficie de esfera . Si la superficie pulida es la cara interna del casquete , se trata de un espejo cóncavo . Si es la cara externa , es un espejo convexo.
Se llama radio de curvatura o radio del espejo al radio de la esfera.
El vértice del espejo es el punto medio del casquete. el eje principal es la recta determinada por el centro de la esfera y el vértice del espejo. Es el eje de simetría y , por lo tanto , todos los planos que lo contienen son equivalentes .
Toda recta que pase por el centro y no contenga al vértice es un eje secundario.
En el estudio de los espejos esféricos se aplican las mismas leyes que en la reflexión de espejos planos, remplazando en cada punto de incidencia el espejo curvo por uno plano tangente al anterior ; de esta manera la normal coincidirá siempre con el radio de curvatura , que además será siempre la bisectriz del ángulo formado por los rayos incidentes y reflejado.
Se llama abertura al ángulo que forman los radios que pasan por el contorno del espejo y están en un mismo plano con el eje principal.
Dados un espejo de abertura pequeña y una fuente luminosa sobre el eje principal infinitamente alejada los rayos incidentes serán paralelos y al reflejarse pasarán por el punto F del eje. Este punto recibe el nombre de Foco Principal.
Cuando el haz de rayos paralelos tiene la direccción de un eje secundario, el foco está sobre ese eje y es un secundario .
En los espejos de abertura pequeña , los ejes , secundarios que tienen un punto en común con el espacio formán ángulos pequeños con el eje principal y todos los focos secundarios forman una superficie que se halla incluida en el plano perpendicular al eje principal en el foco principal. Este plano recibe el nombre de plano focal.
REFRACCIÓN DE LA LUZ.
En la 4,{ cuarta } ley de la óptica geométrica se ha hecho referencia al rayo refractado indicando que.
A } Está en un mismo plano con el rayo incidente y la normal a la superficie en el punto de incidencia.
B } Forma con la normal un ángulo de refracción r tal que la razón entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción tiene un valor constante, llamado índice de refracción del segundo medio con respecto al primero.
sen i
n= -----------
sen r
Cuando se trata de una superficie que no es plana , la normal es la recta perpendicular a la tangente de la superficie de separación en el punto de incidencia.
Si el ángulo de refracción es menor que el de incidencia { el rayo refractado se aproxima a la normal }, se dice que el medio { B} es ópticamente más denso que el { A} o más refrigente .Esto no significa que necesariamente el medio { B} sea físicamente más denso, condición que se da en muchas ocasiones, pero no en todas.
Si el rayo incidente coincide con la normal a la superficie no se produce desviación , es decir,
i = o y r=o.
Efectos de la reflexión total .Espejismos.
Cuando el suelo se calienta lo suficiente como para aumentar la temperatura de las capas de aire más cercanas , la densidad de éstas disminuye .En tales circunstancias ,los rayos luminosos sufren una reflexión total, dando origen a una imagen inversa del objeto , ubicada en el mismo punto del eje.
Con este fenómeno se explican los espejismos . Éstos se producen especialmente en los desiertos , donde , debido al calentamiento de la arena , una planta aparenta reflejarse en el agua , cuando en realidad el observador está viendom el objeto y su reflexión en las capas caldeadas.
Pero no es necesario trasladarse hasta el desierto para ser testigo de este fenómeno . También se da en días cálidos , en el pavimento tanto en las ciudades como en lugares abiertos .
Si las capas menos densas de la atmósfera están más arriba , el fenómeno se da de forma inversa
{ recibe en este caso el nombre de Fata Morgana }: los objetos se localizan entonces en la parte inferior de la superficie de separación con el aire. La reflexión se produce hacia arriba , dando de este modo la impresión de tener los objetos reflejados en un lago imaginario ubicado por encima de la cabeza del observador. Este fenómeno se da sobre todo en mares y lagos extensos . Es muy común verlo en el mar Tirreno , cerca de la isla de Sicilia { Italia }
Prismas.
En óptica , se consideran prismas los cuerpos transparentes limitados por dos caras planas con una arista común . No es preciso que la tercera cara sea plana . El ángulo plano dado por la sección normal del diedro determinado por las caras planas es el ángulo refrigente del prisma.
Un rayo luminoso de un solo color que incide oblicuamente sobre un prisma óptico experimenta dos refracciones ,según se indica en refracción de un rayo en un prisma
Luz Blanca y Monocromatica . Dispersión.
Al pasar un haz luminoso de luz blanca { luz solar, por ejemplo } a través de un prisma , se desvia según las leyes de la refracción en los prismas , pero se produce además un fenómeno denominado dispersión , que se pone de manifiesto recogiendo la luz que sale del prisma en una pantalla; en ésta , en lugar de aparecer un punto iluminado, se observa una amplia banda coloreada con siete colores , que son , según desviación creciente, rojo , anaranjado , amarillo, verde, azul, añil y violeta, lo que se denomina espectro.
Para interpretar el fenómeno de la dispersión , Newton admitió que la luz está compuesta de estas siete radiaciones monocromáticas , las cuales se refractan distintamente.
Según la naturaleza electromagnética de la luz que se admite actualmente, a cada color se le puede asignar una onda vibratoria con una longitud de onda característica ; al rojo corresponde la mayor
longitud de onda { 7 700A° } y la menor al color violeta { 3 900A° } .
En el fenómeno de la refracción resulta más desviada cada radiación cuanto más pequeña es su longitud de onda ; al contrario de lo que sucede cuando aparecen los colores por el fenómeno de la difracción.
SÍNTESIS DE LA LUZ.
La síntesis de la luz consiste en el fenómeno contrario al de la dispersión y puede lograrse juntando los distintos colores del espectro , consiguiéndose con ello luz blanca.
Un manera sencilla de lograr la síntesis de la luz dispersada en un prisma sería haciendo pasar el haz de luz por un prisma a través de otro en posición invertida respecto al primero .
Fundados en la primera experiencia , existen los prismas llamados acromáticos , empleados en muchos aparatos de óptica y que consisten en el acoplamiento de dos prismas invertidos de diferente índice
de refracción en que el segundo compensa la dispersión del primero.}
EL COLOR DE LOS CUERPOS.
Color es el elemento sugestivo e indispensable que reviste la naturaleza y los objetos creados por el
hombre ; da además la imagen completa de la realidad.
El color produce sumo placer al espiritu y a los ojos, los cuales para ver necesitan tanto el color como de la luz. Un cuerpo parece que tiene determinado color, aunque no tenga luz propia , porque su superficie puede rechazar ---reflejar --o absorber todas o parte de las radiaciones luminosas que lo alcanzan , ejerciendo con ello una acción selectiva .Pueden presentarse tres casos: el del cuerpo blanco,el del cuerpo de color y el del cuerpo negro.
A } Cuerpo blanco . Cuando la superficie del cuerpo refleja todas las radiaciones luminosas que le alcanzan sin absorber ninguna.
B } Cuerpo de color . Si la superficie del cuerpo absorbe parte de las radiaciones { parte de las longitudes de onda } que componen la luz blanca incidente . En tal caso ,las ondas reflejadas son las que llegan a nuestro ojo y producen la visión del cuerpo rojo,verde, azul etcétera.
C } Cuerpo negro. Si la superficie del cuerpo absorbe todas las longitudes de onda de la luz blanca incidente y ,por tanto, no refleja ninguna de ellas ; de modo que no puede llegar ninguna radiación a nuestros ojos .Por esta razón, de noche , todos los cuerpos nos parecen negros pues , al no incidir radiación alguna, las superficies no reflejan ninguna onda característica.
EL ARCO IRIS .
Al salir el sol después de la lluvia , algunas veces presenciamos el hermoso espectáculo de color brindado por el arco iris.
Se trata de un fenómeno óptico debido a la descomposición de la luz. Después de la lluvia , quedan gotas de agua suspendidad en la atmósfera . Si en seguida sale el sol , sus rayos atraviesan las gotas y se produce la refracción y reflexión de los rayos.
Siendo blanca la luz proveniente del sol, es el resultado de la superposición de rayos de colores simples. Cada color tiene su propio ángulo de refracción .
Es asi que cuando la luz blanca solar atraviesa las gotas de agua , se descomponen dando origen al espectro solar y constituyendo una superficie cónica cuyo eje es la recta determinada por el sol y el ojo humano. Pero no siempre que sale el sol después de la lluvia se ve el arco iris . Si el sol está muy alto sobre el horizonte , los rayos refractados se pierden sin pasar por el ojo del observador . Sólo es visible cuando el astro luminoso está cerca del horizonte : su altura no debe ser superior a 50° 59´ sobre el horizonte . por eso se ve con mayor frecuencia al atardecer.
Los colores del arco iris van del violeta al rojo.Los rayos violetas emergen más altos que los rojos , pero el observador que ve la imagen proyectada sobre el cielo los ve invertidos .
Generalmente se forman un arco principal de mayor intensidad tonal y otro menor, que lo envuelve
LENTES.
Las superficies planas de separación se llaman dioptrías planas y las esféricas, dioptrías esféricas.
El centro y el radio de curvatura constituyen el centro y el radio de la dioptría , siendo su eje principal la recta determinada por el centro y el vértice.
Son dioptrías convergentes las que disminuyen la abertura del haz de rayos incidentes , y son divergentes en el caso contrario.
Lentes son los medios transparentes limitados por dos medios diopatrias que tienen sus ejes principales coincidentes .
Según la curvatura de las caras, las lentes pueden ser :
--biconvexas
---planoconvexas
--planocóncavas
--cóncavo--convexas
--bicóncavas.
Siendo el índice de refracción mayor que el medio circundante , resultan convergentes las dos primeras , divergentes las planocóncavas y bicóncavas , mientras que las restantes , si la cara de mayor curvatura es la convexa, son convergentes y divergentes cuando lo es la cóncava.
Antes de estudiar la trayectoria de los rayos a través de una lente , hay que definir los elementos de ésta.
A } Centro de curvatura . Es el centro de cada una de las caras , esféricas que forman la lente
{ O,O´} .
B} Centro óptico. Es un punto interior de la lente que ésta en la linea que une los centros de curvatura , tiene la propiedad de que todo rayo que pase por él no sufre desviación.
C } Eje principal . Es la recta que pasa por el centro óptico y los centros de curvatura.
D } Eje secundario .Es cualquier recta que pase por el centro óptico.
E} Focos . Son los puntos del eje principal por donde pasan los rayos luminosos { o sus prolongaciones } , después de incidir sobre la lente paralelamente al eje principal
F } Distancia focal. Es la distancia existente entre el centro óptico y el foco.
Óptica fisica.
Fotometría .
Es la parte de la fisica que estudia las magnitudes relativas a las radiaciones luminosas.
Si se considera una lámpara eléctrica encendida , parte de la energia se transforma en calor por efecto Joule y el resto se desprende en forma de energía luminosa; la luz es, pues ,una forma de la energía
Fotómetro .
Para medir intensidades de fuentes luminosas, se emplean aparato llamados fotómetros.
Naturaleza de la luz.
Según la hipótesis corpuscular de Isaac Newton , la luz estaría constituida por un flujo de partículas materiales emitidas por el foco luminoso , que se propaga en línea recta en un medio homogéneo .Los corpusculos extraordinariamente pequeños saldrán del foco emisor como los proyectiles de una ametralladora . Ésta es , síntesis ,la teoría de la emisión de Newton , que explica satisfactoriamente los fenómenos de reflexión , refracción y dispersión . No comtempla , sin embargo, los fenómenos de interferencia , difracción y polarización.
Albert Einstein supuso que la energía radiante está dividida en " granos " y que los focos luminosos los lanzan en todos los sentidos .A estos granos de luz los denomino Fotones.
La teoria de los fotones explica , además del efecto fotoeléctrico , diversos fenómenos descubiertos recientemente , por el contrario, es incapaz de explicar los fenómenos de interferencia , de difracción y polirización .
la teoría reconciliadora de Louis de Broglie , según la cual se admite que toda radiación corpuscular va acompañada de una onda asociada . Cada corpúsculo de masa m que se mueve
a una velocidad v va acompañado de una onda vibratoria de frecuencia tal que se cumple siempre la relación .
m.v=h.v
en la que h es la denominada constante universal de Plank equivalente a 6,55x 1O a la -27,erg,y v la frecuencia de la onda asociada.La teoría de de BROIGLE ha sido la base de la mecánica ondulatoria moderna, desarrollada por Erwin Schodinger,Werner Heisenberg y Pault Dirac.
Fizeau : obtuvo el valor de la velocidad de la luz=
v=4.8,663km.720.12,6 RPS=313.000 km/seg.
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viernes, 27 de enero de 2017
viernes, 13 de enero de 2017
TERMODINÁMICA.
Es la parte de la física que estudia los fenómenos en los que existe transformaciones de energía mecánica en calorifica o viceversa, fenómenos que reciben el nombre de transformaciones termodinámicas.
Se dice que un sistema realiza una transformación termodinámica cuando intercambia energía con el exterior , pasando de un estado inicial a un estado final.
A} Sistema termodinámico:
Para que pueda tener lugar una transformación termodinámica , se precisa de un cuerpo o conjunto de cuerpos, en los que se verifiquen los procesos que dan lugar al intercambio energético.
Sistema termodinámico es el cuerpo o , conjunto de cuerpos , sobre el que tiene lugar una transformación termodinámica.
Aunque una transformación termodinámica puede afectar a cuerpos en cualquier estado fisico , se considera únicamente el caso más importante , que es aquel en el que el sistema termodinámico se encuentra en estado gaseoso.
B } Variables termodinámicas
Son todas las magnitudes que intervienen en una transformación termodinámica . Son variables termodinámicas la presión , el volumen, la temperatura , la cantidad de calor etc.
Energía interna.
Hay que referirse a la energía que un cuerpo posee en su interior se utiliza el término energía interna.
{ el calor debe ser considerado como una forma particular de energía }.
La energía interna representa la suma de la energía cinética y potencial de todas la moléculas que constituyen el cuerpo.
Energia interna de un cuerpo es la energia total que poseen sus moléculas. Se representa por U.
El valor de la energía interna de un sistema depende exclusivamente de las variables que caracterizan el estado del sistema : presión, volumen, temperatura etc.
Cuando el cuerpo se calienta , aumenta la amplitud de las vibraciones de sus partículas , lo que se traduce en un aumento de la energia interna del mismo.
Si se sigue suministrando calor, la amplitud de la vibraciones sigue aumentando, hasta que llega a hacerse tan grande que se rompe la fuerza de cohesión entre las moléculas . El cuerpo deja de ser sólido
y pasa al estado líquido , verificandose el fenómeno que recibe el nombre de FUSIÓN.
Algunas de las moléculas del líquido , en su movimiento de traslación , llegan a la superficie libre y saltan al exterior , pasando al estado gaseoso mediante el fenómeno conocido con el nombre de EVAPORIZACIÓN. Si se continua suministrando calor al gas , sus moléculas aumentan de velocidad , creciendo-- en consecuencia-- su energía interna.
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
La formulación del principio general de conservación de la energía , según el cual ésta no se crea ni se destruye , aunque si puede transformarse de una forma a otra . Es decir, que siempre que desaparece una cantidad de cierta clase de energía aparece una cantidad exactamente equivalente de otra clase.
Pues bién , el primer principio de la termodinámica no es sino la aplicación de dicho principio general a la interconversión concreta calor -- trabajo
Cuyo enunciado es el siguiente " La cantidad de calor Q suministrada a un sistema se invierte en parte en la realización de un trabajo externo L; siendo el resto absorbido por el sistema , ocasionando un aumento { DELTA} U de la energía interna del mismo."
Es decir " El trabajo suministrado a un sistema se invierte en parte en ceder calor al exterior y en un aumento de la energía interna del mismo."
Gas perfecto : Es un gas ideal cuyas moléculas no ocupan volumen propio ni ejercen entre sí fuerzas de cohesión.; un gas real se parece a una gas perfecto tanto más cuanto menor sea la presión , ya que en estas condiciones es menor el número de moléculas por unidad de volumen , con lo que éstas ocupan menos parte del volumen total y ---al encontrarse muy separadas -- ejercen poca fuerza de cohesión.
LEY DE LOS GASES PERFECTOS .
Como ya se ha dicho , el gas debe verificar la ley de BOYLE y MARIOTTE , según la cual " la presión y el volumen de un gas a una determinada temperatura son inversamente proporcionales. "
Por otra parte, si se calienta el gas hasta una temperatura T sin dejar que el volumen se altere .la presión aumentará , debiéndose verificar la fórmula de dilatación de los gases a volumen constante.
Ecuación de estado de los gases perfectos.
Se deducirá ahora otra forma de expresar la ecuación de los gases perfectos , denominada ecuación de estado, de aplicación más inmediata en aquellos casos en que se desea relacionar la masa de un gas con su presión, volumen y temperatura .
Sean n moles de un gas , que , sometidos a una presión p y a una temperatura absoluta T, ocupan un volumen V.
Según el principio de AVOGADRO ,enunciado en Quimica , cualquier gas en condiciones normales de presión y temperatura ocupa un volumen de 22,4 litros por mol; en consecuencia, los n moles presentes en la muestra , si se hallan a 273 °k de temperatura y 1 atm de presión , ocuparán n mol, 22,4 l/ mol.
ENTALPIA.
Entalpía de un sistema termodinámico es la suma de su energía interna más el producto de la presión por el volumen. Se representa por H.
H = U+p.v .
El primer principio de la termodinámica adopta diversas formas según sea la naturaleza de la transformación realizada por el gas, es decir, en función de las condiciones en que tiene lugar el intercambio de energía entre el sistema y el medio exterior.
Según la variable termodinámica que permanezca inalterable , se consideran las siguientes transformaciones.
------Transformaciones isóbara p = C { a presión constante }
------Transformación isócora : V = C { a volumen constante }
-------Trasnformación isoterma : T = C { a temperatura constante.}
-------Trasnformación adiabática : Q= C { sin intervalo de calor }.
Transformación isóbara.
Es aquella en que la presión permanece constante, si en la ley de los gases perfectos.
En una transformación isóbara de un gas perfecto ,el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
Después de la transformación isóbara, la energía interna pasa a ser U, la presión permanece inalterable y el volumen alcanza un valor V, por lo que la entalpía final del sistema es :
H= U+ p.v
Transformación isócora .
Es aquella en la que el volumen constante permanece constante, si en la ley de los gase perfectos.
En una transformación isócora de un gas perfecto, la presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
La consecuencia de que el volumen no pueda cambiar es que no cabe posibilidad de realizar trabajo de expansión ni de compresión del gas.
Si en un diagrama P/ V , se representa la ecuación correspondiente a una transformación isócora :
V= constante. resulta una recta vertical.
En una transformación isócora , el calor suministrado al sistema se emplea integramente en incrementar su energía interna . En el caso en que sea el gas el que cede calor , el calor cedido por el sistema repercute en una dismunición equivalente de su energía interna.
Transformación isoterma .
Es aquella en que la temperatura permanece constante . Si en la ley de los gases perfectos.
En una trasnformación isoterma de un gas perfecto,la presión es inversamente proporcional al volumen.
En una transformación isoterma , el calor suministrado al sistema se emplea integramente en producir trabajo mecánico.
Calores especificos de los gases .
Se ha definido el calor especifico de una sustancia como la cantidad de calor que se necesita para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de la misma .
Pues bien, los gases presentan dos valores para su calor especifico , dependiendo de las condiciones en que tiene lugar el aumento de su temperatura : a volumen constante o a presión constante.
CALOR ESPECIFICO A PRESIÓN CONSTANTE.
Es el calor suministrado a una gramo de gas para que aumente su temperatura 1 ° C ,cuando la presión del que se mantiene constante mientras que tiene lugar el aumento de temperatura se representa por Cp y se mide en cal / g .°C.
CALOR ESPECIFICO A VOLUMEN CONSTANTE.
Es el calor que debe suministrar a un gramo de un gas para que aumente su temperatura 1 °C , cuando el volumen del gas se mantiene constante mientras tiene lugar el aumento de temperatura. Se representa por Cv y se mide en cal / g. °C.
Transformación adiabática.
Es aquella en la que no hay intercambio de calor entre el sistema y el medio exterior . Expresado de otro modo. " Transformación adiabática es aquella en que la cantidad de calor del sistema permanece constante ".
En una transformación adiabática , el trabajo realizado por el sistema es igual a la disminución de su energía interna.
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
Hasta ahora se ha hablado del " calor suministrado a un sistema " y del" trabajo realizado por el sistema"
cosiderando siempre como positivas las cantidades que expresaban dichas magnitudes.
Sin embargo , un sistema puede desprender calor en lugar de recibirlo y , a su vez , un trabajo puede ser realizado " sobre " el sistema en lugar de serlo " por " el sistema.
Para poder analizar dichas magnitudes en este doble sentido , basta con establecer para ambas un coherente convenio de signos . Así ,en una transformación termodinámica.
A } Una cantidad de calor se considera positiva cuando es absorbida por el sistema y negativa cuando es cedida por el mismo.
B} Un trabajo se considera positivo cuando es realizado por el sistema y negativo cuando es realizado sobre el mismo.
Ejemplos: Cuando se comprime aire en el interior de una bomba de bicicleta , tapando con el dedo el orificio de salida ,se produce , a costa del trabajo mecánico efectuado . calor, que absorbe la atmósfera . En este caso.
-----El calor es negativo ya que es cedido por el sistema .
-----El trabajo mecánico también es negativo , ya que ha sido realizado sobre el sistema .
Por lo que se refiere al trabajo mecánico , su signo puede también establecerse mediante un criterio geométrico, en lugar de energético.
En efecto , puesto que la realización de un trabajo exige forzosamente un desplazamiento , y como consecuencia , un cambio de volumen , cuando un gas se expande , está realizando una fuerza sobre el medio exterior ; por consiguiente el trabajo es realizado " por " el gas { es positivo } . Por el contrario , cuando el gas se comprime , son las fuerzas exteriores las que ejercen una acción sobre aquél . lo que supone que el trabajo se realiza " sobre " el sistema y , por lo tanto , es negativo . En consecuencia , se puede enunciar : En una transformación termodinámica , el trabajo es positivo cuando el gas se expande ; y es negativo , en caso contrario.
CICLO.
Ciclo es una transformación termodinámica que , una vez efectuada, repite las condiciones iniciales del sistema..
El trabajo desarrollado en un ciclo es igual al área encerrada en el interior del mismo.
Al igual que en una transformación abierta , el trabajo en un ciclo puede ser positivo o negativo:
--- si se recorre el ciclo en el sentido de las agujas del reloj, el trabajo es positivo .
--por el contrario , si el ciclo es recorrido en sentido contrario al de las agujas del reloj, el trabajo es negativo.
DESARROLLO DEL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
El primer principio de la termodinámica enuncia que en toda transformación se conserva la energía , pero no estable ninguna limitación en cuanto a la forma de llevar a cabo dicha transformación.
Si se pone un cuerpo caliente en contacto con otro frío , la experiencia dice que aumentará la temperatura del segundo y dismunuirá la del primero . Si se establece comunicación entre un recinto que contiene un gas a presión alta y otro recinto en el que la presión del gas es baja , se podrá afirmar de antemano que una corriente gaseosa , dirigida del primer recipiente al segundo, determinará la igualdad de presiones , Obsérvese que el primer principio no se opone a que el cuerpo caliente aumente la temperatura a costa del cuerpo frío ; sólo exige que la energía que el primero absorba sea igual a la que el segundo suministra . También habrá contradicción con el primer principio si la molécula de un gas abandonansen la mitad del recipiente que ocupan y , dejándola vacía , se acumulasen en la otra mitad.
El principio de conservación dice que, en general , la energía de un sistema aislado es la misma en los estados inicial A y final B , pero no hace distinción alguna entre dichos estados y considera igualmente posible que el sistema pase del estado A al B como que , desde el estado B , recobre al estado A.
Este criterio lo suministra un postulado fundamental , que se conoce como segundo principio de la termodinámica , contenido en la siguiente afirmación." Es imposible construir una máquina de funcionamiento cíclico que produzca trabajo intercambiando calor con un sólo manantial " . En otras palabras , no existe ninguna máquina térmica que transforme integramente en trabajo el calor absorbido.
CICLO DE CARNOT.
El rendimiento de un determinado ciclo depende del tipo de transformación que lo constituye y de las temperaturas entre las que opera , lo que significa , en definitiva , que depende de la forma que presenta el ciclo.
La importancia del ciclo de Carnot radica en el hecho de ser el de mayor rendimiento de entre todos aquellos ciclos que trabajan entre las mismas temperaturas.
ENTROPIA.
Una función de estado del sistema que tenga un valor distinto al principio y al final de una transformación dada. Se ha definido una función que responde a estas condiciones y que se ha llamado entropia del sistema.
Igual que la energía , la entropia es sólo una función de estado del sistema ; aumenta o permanece constante en cada transformación que se produce en un sistema aislado.
Mediante la noción de entropia se puede formular el segundo principio de la termodinámica de otra manera " Las transformaciones en las que la entropia de un sistema aislado disminuye no son posibles "
" En cada transformación que se produce en un sistema aislado la entropia del sistema aumenta o permanece constante ".
Si un sistema aislado se encuentra en un estado tal que su entropia alcanza su máximo, cualquier cambio implica una disminución de la entropia y no puede, pues producirse . Una condición también necesaria para que el sistema se encuentre en equilibrio es que su entropia sea máxima .
La entropia , que se representa por S, no puede calcularse en términos absolutos ; por ello, en la práctica
lo que se hace es calcular el aumento de entropia de un sistema en un determinado proceso.
Cuando un sistema termodinámico recibe una cantidad de calor Q a una temperatura T, se dice que ha sufrido un aumento de entropia.
El cálculo de la variación de entropia que tiene lugar en una transformación termodinámica requiere la utilización del cálculo integral , ya que ----en general -- la temperatura varía durante el proceso; únicamente en las transformaciones isotermas, esto es , en las transformaciones a temperatura constante , es posible calcular el aumento de entropia mediante operaciones aritméticas.
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Se dice que un sistema realiza una transformación termodinámica cuando intercambia energía con el exterior , pasando de un estado inicial a un estado final.
A} Sistema termodinámico:
Para que pueda tener lugar una transformación termodinámica , se precisa de un cuerpo o conjunto de cuerpos, en los que se verifiquen los procesos que dan lugar al intercambio energético.
Sistema termodinámico es el cuerpo o , conjunto de cuerpos , sobre el que tiene lugar una transformación termodinámica.
Aunque una transformación termodinámica puede afectar a cuerpos en cualquier estado fisico , se considera únicamente el caso más importante , que es aquel en el que el sistema termodinámico se encuentra en estado gaseoso.
B } Variables termodinámicas
Son todas las magnitudes que intervienen en una transformación termodinámica . Son variables termodinámicas la presión , el volumen, la temperatura , la cantidad de calor etc.
Energía interna.
Hay que referirse a la energía que un cuerpo posee en su interior se utiliza el término energía interna.
{ el calor debe ser considerado como una forma particular de energía }.
La energía interna representa la suma de la energía cinética y potencial de todas la moléculas que constituyen el cuerpo.
Energia interna de un cuerpo es la energia total que poseen sus moléculas. Se representa por U.
El valor de la energía interna de un sistema depende exclusivamente de las variables que caracterizan el estado del sistema : presión, volumen, temperatura etc.
Cuando el cuerpo se calienta , aumenta la amplitud de las vibraciones de sus partículas , lo que se traduce en un aumento de la energia interna del mismo.
Si se sigue suministrando calor, la amplitud de la vibraciones sigue aumentando, hasta que llega a hacerse tan grande que se rompe la fuerza de cohesión entre las moléculas . El cuerpo deja de ser sólido
y pasa al estado líquido , verificandose el fenómeno que recibe el nombre de FUSIÓN.
Algunas de las moléculas del líquido , en su movimiento de traslación , llegan a la superficie libre y saltan al exterior , pasando al estado gaseoso mediante el fenómeno conocido con el nombre de EVAPORIZACIÓN. Si se continua suministrando calor al gas , sus moléculas aumentan de velocidad , creciendo-- en consecuencia-- su energía interna.
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
La formulación del principio general de conservación de la energía , según el cual ésta no se crea ni se destruye , aunque si puede transformarse de una forma a otra . Es decir, que siempre que desaparece una cantidad de cierta clase de energía aparece una cantidad exactamente equivalente de otra clase.
Pues bién , el primer principio de la termodinámica no es sino la aplicación de dicho principio general a la interconversión concreta calor -- trabajo
Cuyo enunciado es el siguiente " La cantidad de calor Q suministrada a un sistema se invierte en parte en la realización de un trabajo externo L; siendo el resto absorbido por el sistema , ocasionando un aumento { DELTA} U de la energía interna del mismo."
Es decir " El trabajo suministrado a un sistema se invierte en parte en ceder calor al exterior y en un aumento de la energía interna del mismo."
Gas perfecto : Es un gas ideal cuyas moléculas no ocupan volumen propio ni ejercen entre sí fuerzas de cohesión.; un gas real se parece a una gas perfecto tanto más cuanto menor sea la presión , ya que en estas condiciones es menor el número de moléculas por unidad de volumen , con lo que éstas ocupan menos parte del volumen total y ---al encontrarse muy separadas -- ejercen poca fuerza de cohesión.
LEY DE LOS GASES PERFECTOS .
Como ya se ha dicho , el gas debe verificar la ley de BOYLE y MARIOTTE , según la cual " la presión y el volumen de un gas a una determinada temperatura son inversamente proporcionales. "
Por otra parte, si se calienta el gas hasta una temperatura T sin dejar que el volumen se altere .la presión aumentará , debiéndose verificar la fórmula de dilatación de los gases a volumen constante.
Ecuación de estado de los gases perfectos.
Se deducirá ahora otra forma de expresar la ecuación de los gases perfectos , denominada ecuación de estado, de aplicación más inmediata en aquellos casos en que se desea relacionar la masa de un gas con su presión, volumen y temperatura .
Sean n moles de un gas , que , sometidos a una presión p y a una temperatura absoluta T, ocupan un volumen V.
Según el principio de AVOGADRO ,enunciado en Quimica , cualquier gas en condiciones normales de presión y temperatura ocupa un volumen de 22,4 litros por mol; en consecuencia, los n moles presentes en la muestra , si se hallan a 273 °k de temperatura y 1 atm de presión , ocuparán n mol, 22,4 l/ mol.
ENTALPIA.
Entalpía de un sistema termodinámico es la suma de su energía interna más el producto de la presión por el volumen. Se representa por H.
H = U+p.v .
El primer principio de la termodinámica adopta diversas formas según sea la naturaleza de la transformación realizada por el gas, es decir, en función de las condiciones en que tiene lugar el intercambio de energía entre el sistema y el medio exterior.
Según la variable termodinámica que permanezca inalterable , se consideran las siguientes transformaciones.
------Transformaciones isóbara p = C { a presión constante }
------Transformación isócora : V = C { a volumen constante }
-------Trasnformación isoterma : T = C { a temperatura constante.}
-------Trasnformación adiabática : Q= C { sin intervalo de calor }.
Transformación isóbara.
Es aquella en que la presión permanece constante, si en la ley de los gases perfectos.
En una transformación isóbara de un gas perfecto ,el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
Después de la transformación isóbara, la energía interna pasa a ser U, la presión permanece inalterable y el volumen alcanza un valor V, por lo que la entalpía final del sistema es :
H= U+ p.v
Transformación isócora .
Es aquella en la que el volumen constante permanece constante, si en la ley de los gase perfectos.
En una transformación isócora de un gas perfecto, la presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
La consecuencia de que el volumen no pueda cambiar es que no cabe posibilidad de realizar trabajo de expansión ni de compresión del gas.
Si en un diagrama P/ V , se representa la ecuación correspondiente a una transformación isócora :
V= constante. resulta una recta vertical.
En una transformación isócora , el calor suministrado al sistema se emplea integramente en incrementar su energía interna . En el caso en que sea el gas el que cede calor , el calor cedido por el sistema repercute en una dismunición equivalente de su energía interna.
Transformación isoterma .
Es aquella en que la temperatura permanece constante . Si en la ley de los gases perfectos.
En una trasnformación isoterma de un gas perfecto,la presión es inversamente proporcional al volumen.
En una transformación isoterma , el calor suministrado al sistema se emplea integramente en producir trabajo mecánico.
Calores especificos de los gases .
Se ha definido el calor especifico de una sustancia como la cantidad de calor que se necesita para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de la misma .
Pues bien, los gases presentan dos valores para su calor especifico , dependiendo de las condiciones en que tiene lugar el aumento de su temperatura : a volumen constante o a presión constante.
CALOR ESPECIFICO A PRESIÓN CONSTANTE.
Es el calor suministrado a una gramo de gas para que aumente su temperatura 1 ° C ,cuando la presión del que se mantiene constante mientras que tiene lugar el aumento de temperatura se representa por Cp y se mide en cal / g .°C.
CALOR ESPECIFICO A VOLUMEN CONSTANTE.
Es el calor que debe suministrar a un gramo de un gas para que aumente su temperatura 1 °C , cuando el volumen del gas se mantiene constante mientras tiene lugar el aumento de temperatura. Se representa por Cv y se mide en cal / g. °C.
Transformación adiabática.
Es aquella en la que no hay intercambio de calor entre el sistema y el medio exterior . Expresado de otro modo. " Transformación adiabática es aquella en que la cantidad de calor del sistema permanece constante ".
En una transformación adiabática , el trabajo realizado por el sistema es igual a la disminución de su energía interna.
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
Hasta ahora se ha hablado del " calor suministrado a un sistema " y del" trabajo realizado por el sistema"
cosiderando siempre como positivas las cantidades que expresaban dichas magnitudes.
Sin embargo , un sistema puede desprender calor en lugar de recibirlo y , a su vez , un trabajo puede ser realizado " sobre " el sistema en lugar de serlo " por " el sistema.
Para poder analizar dichas magnitudes en este doble sentido , basta con establecer para ambas un coherente convenio de signos . Así ,en una transformación termodinámica.
A } Una cantidad de calor se considera positiva cuando es absorbida por el sistema y negativa cuando es cedida por el mismo.
B} Un trabajo se considera positivo cuando es realizado por el sistema y negativo cuando es realizado sobre el mismo.
Ejemplos: Cuando se comprime aire en el interior de una bomba de bicicleta , tapando con el dedo el orificio de salida ,se produce , a costa del trabajo mecánico efectuado . calor, que absorbe la atmósfera . En este caso.
-----El calor es negativo ya que es cedido por el sistema .
-----El trabajo mecánico también es negativo , ya que ha sido realizado sobre el sistema .
Por lo que se refiere al trabajo mecánico , su signo puede también establecerse mediante un criterio geométrico, en lugar de energético.
En efecto , puesto que la realización de un trabajo exige forzosamente un desplazamiento , y como consecuencia , un cambio de volumen , cuando un gas se expande , está realizando una fuerza sobre el medio exterior ; por consiguiente el trabajo es realizado " por " el gas { es positivo } . Por el contrario , cuando el gas se comprime , son las fuerzas exteriores las que ejercen una acción sobre aquél . lo que supone que el trabajo se realiza " sobre " el sistema y , por lo tanto , es negativo . En consecuencia , se puede enunciar : En una transformación termodinámica , el trabajo es positivo cuando el gas se expande ; y es negativo , en caso contrario.
CICLO.
Ciclo es una transformación termodinámica que , una vez efectuada, repite las condiciones iniciales del sistema..
El trabajo desarrollado en un ciclo es igual al área encerrada en el interior del mismo.
Al igual que en una transformación abierta , el trabajo en un ciclo puede ser positivo o negativo:
--- si se recorre el ciclo en el sentido de las agujas del reloj, el trabajo es positivo .
--por el contrario , si el ciclo es recorrido en sentido contrario al de las agujas del reloj, el trabajo es negativo.
DESARROLLO DEL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
El primer principio de la termodinámica enuncia que en toda transformación se conserva la energía , pero no estable ninguna limitación en cuanto a la forma de llevar a cabo dicha transformación.
Si se pone un cuerpo caliente en contacto con otro frío , la experiencia dice que aumentará la temperatura del segundo y dismunuirá la del primero . Si se establece comunicación entre un recinto que contiene un gas a presión alta y otro recinto en el que la presión del gas es baja , se podrá afirmar de antemano que una corriente gaseosa , dirigida del primer recipiente al segundo, determinará la igualdad de presiones , Obsérvese que el primer principio no se opone a que el cuerpo caliente aumente la temperatura a costa del cuerpo frío ; sólo exige que la energía que el primero absorba sea igual a la que el segundo suministra . También habrá contradicción con el primer principio si la molécula de un gas abandonansen la mitad del recipiente que ocupan y , dejándola vacía , se acumulasen en la otra mitad.
El principio de conservación dice que, en general , la energía de un sistema aislado es la misma en los estados inicial A y final B , pero no hace distinción alguna entre dichos estados y considera igualmente posible que el sistema pase del estado A al B como que , desde el estado B , recobre al estado A.
Este criterio lo suministra un postulado fundamental , que se conoce como segundo principio de la termodinámica , contenido en la siguiente afirmación." Es imposible construir una máquina de funcionamiento cíclico que produzca trabajo intercambiando calor con un sólo manantial " . En otras palabras , no existe ninguna máquina térmica que transforme integramente en trabajo el calor absorbido.
CICLO DE CARNOT.
El rendimiento de un determinado ciclo depende del tipo de transformación que lo constituye y de las temperaturas entre las que opera , lo que significa , en definitiva , que depende de la forma que presenta el ciclo.
La importancia del ciclo de Carnot radica en el hecho de ser el de mayor rendimiento de entre todos aquellos ciclos que trabajan entre las mismas temperaturas.
ENTROPIA.
Una función de estado del sistema que tenga un valor distinto al principio y al final de una transformación dada. Se ha definido una función que responde a estas condiciones y que se ha llamado entropia del sistema.
Igual que la energía , la entropia es sólo una función de estado del sistema ; aumenta o permanece constante en cada transformación que se produce en un sistema aislado.
Mediante la noción de entropia se puede formular el segundo principio de la termodinámica de otra manera " Las transformaciones en las que la entropia de un sistema aislado disminuye no son posibles "
" En cada transformación que se produce en un sistema aislado la entropia del sistema aumenta o permanece constante ".
Si un sistema aislado se encuentra en un estado tal que su entropia alcanza su máximo, cualquier cambio implica una disminución de la entropia y no puede, pues producirse . Una condición también necesaria para que el sistema se encuentre en equilibrio es que su entropia sea máxima .
La entropia , que se representa por S, no puede calcularse en términos absolutos ; por ello, en la práctica
lo que se hace es calcular el aumento de entropia de un sistema en un determinado proceso.
Cuando un sistema termodinámico recibe una cantidad de calor Q a una temperatura T, se dice que ha sufrido un aumento de entropia.
El cálculo de la variación de entropia que tiene lugar en una transformación termodinámica requiere la utilización del cálculo integral , ya que ----en general -- la temperatura varía durante el proceso; únicamente en las transformaciones isotermas, esto es , en las transformaciones a temperatura constante , es posible calcular el aumento de entropia mediante operaciones aritméticas.
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