PROCESOS TERMODINÁMICOS
En física, se denomina proceso termodinámico a la evolución
de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas
a un determinado sistema termodinámico. Desde el punto de vista de la
termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de
equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una
variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en
dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos
pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con
otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente
los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre
sí.
De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico
puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones
iniciales hasta otras condiciones finales, debido a su des
estabilización.
Procesos Iso
Son los procesos cuyas magnitudes permanecen
"constantes", es decir que el sistema cambia manteniendo cierta
proporcionalidad en su transformación. Se les asigna el prefijo iso-.
Ejemplo:
Isotérmico: proceso a temperatura constante.
Isobárico: proceso a presión constante
Isométrico o isocórico: proceso a volumen
constante
Isoentálpico: proceso a entalpía constante
Isoentrópico: proceso a entropía constante.
Procesos politrópico
Los procesos politrópicos son aquellos
procesos termodinámicos para gases ideales que
cumplen con la ecuación: donde es un
número dado. Para el caso de procesos adiabáticos, es igual
a , el cual es
un valor específico para cada sustancia. Este valor se puede encontrar en
tablas para dicho caso.
Proceso isocórico
UN proceso isocórico, también llamado proceso
isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el
volumen permanece constante; . Esto implica
que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se
define como:
,
donde P es la presión (el trabajo es cero pues no
hay cambio de volumen)
En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como
una línea vertical
El proceso isocórico es el proceso de compresión por
el cual el volumen de un gas permanece constante pero la presión y la
temperatura de un gas varían.
PROCESO ISOCORICO
Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o
isovolumétrico es un proceso termodinámico en
el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el proceso no
realiza trabajopresión-volumen,
ya que éste se define como:
ΔW = PΔV,
donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).
Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es:
Q = ΔU
para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía interna, U. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura,
Q = nCVΔT
donde CV es el calor específico molar a volumen constante.
ΔW = PΔV,
donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).
Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es:
Q = ΔU
para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía interna, U. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura,
Q = nCVΔT
donde CV es el calor específico molar a volumen constante.
En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una
línea vertical. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas
transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es
decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro
deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta
forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de
la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre
ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio
(mecánico, térmico y/o material) entre si.
De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.
De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.
Ejemplo:
¿Cuando se incrementa la energia interna de 10g de hielo que
esta a cero grados centigrados
cuando se transforma en agua manteniendo el volumen constante?
como el proceso es isocorico, ya que no cambia el volumen,
entonces w=0 y de acuerdo con la primera ley de la termodinamica la cantidad de
calor ganado por el hielo es igual al cambio en su energia interna, es decir:
Q= ΔU . Ahora bien, el calor de fusion del hielo es Q=mLf. en donde Lf=80cal/g.
sustituimos valores en la relacion anterior:
Q=(10g)(80cal/g)=800cal
por tanto, el cambio en la energia interna es:
ΔU=Q=800cal 4.19J/1cal=3352J
En termodinámica se
designa como proceso adiabático a aquél en el cual el sistema
(generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su
entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico. El extremo opuesto, en el
que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca
constante, se denomina como proceso isotérmico.
El término adiabático hace
referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno.
Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es
la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar
una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En
climatización los procesos de humectación (aporte de vapor
de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar
que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.
El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que
comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de
un gas. Esto
puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.
Existen, tres relaciones en el enfriamiento adiabático del aire:
1. La relación ambiente de la atmósfera,
que es la proporción a la que el aire se enfría a medida que se gana altitud.
2. La tasa seca adiabática, es de unos -1°
por cada 100 metros de subida.
3. La tasa húmeda adiabática, es de un -0,6
° - 0,3º por cada 100 metros de subida.
La primera relación se usa para describir la temperatura del
aire circundante a través del cual está pasando el aire ascendente.
La segunda y tercera proporción son las referencias
para una masa de aire que está ascendiendo en la atmósfera. La tasa seca
adiabática se aplica a aire que está por debajo del punto
de rocío, por ejemplo si no está saturado de vapor de agua, mientras que la
tasa húmeda adiabática se aplica a aire que ha alcanzado su punto de rocío. El
enfriamiento adiabático es una causa común de la formación de nubes.
El enfriamiento adiabático no tiene por qué involucrar a un
fluido. Una técnica usada para alcanzar muy bajas temperaturas (milésimas o
millonésimas de grado sobre el cero
absoluto) es la des magnetización adiabática, donde el cambio en un campo
magnético en un material magnético es usado para conseguir un
enfriamiento adiabático.
Se denomina proceso isotérmico o proceso
isotermo al cambio de temperatura reversible en un sistema
termodinámico, siendo dicho cambio de temperatura constante
en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal en
contacto permanente con un termostato es un
ejemplo
de proceso isotermo, y puede llevarse a cabo colocando
el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande
y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco
caliente. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo
que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas
ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión
isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q
= W.
Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los
valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso
isotermo. Las isotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamadodiagrama de Clapeyron, son
hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es P•V = constante
Ondas Vectoriales
El vector de onda es un vector que apunta en la dirección de
propagación de la onda en cuestión y cuya magnitud es el número
de onda. Su expresión en matemática es:
donde es la
dirección de la propagación de la onda. De este modo, para una onda genérica
tenemos que:
Aplicaciones
Transversalidad de las ondas electromagnéticas planas
El formalismo mediante el vector de onda permite ver
rápidamente que las ondas electromagnéticas planas son trasversales, es decir,
la oscilación del campo eléctrico y magnético es perpedincular a la dirección
de propagación de la onda y perpendiculares entre sí.
Para demostrar esto consideremos, sin pérdida de
generalidad, una onda electromagnética plana de la forma:
Suponiendo una región del espacio sin densidad de
carga , la ley de
Gauss para la divergencia del campo eléctrico nos lleva a que:
De donde obtenemos la perpendicularidad entre el campo
eléctrico y la dirección de propagación:
(*)
Usando ahora la ley
de Faraday para el rotacional del campo eléctrico tenemos:
(**)
Onda longitudinal
Las ondas longitudinales son ondas en las
que el desplazamiento a través del medio está en la misma dirección o en la
dirección opuesta a la dirección de desplazamiento de la onda.
Las ondas longitudinales mecánicas también se
llaman ondas de compresión u ondas de compresibilidad, ya que producen
compresión y rarefacción cuando viaja a través de un medio, y
las ondas de presión producen aumentos y disminuciones en la presión.
La primera figura ilustra el caso de una onda sonora. Si el
centro de la figura es un foco puntual generador de la onda, los frentes de
onda se desplazan alejándose del foco, transmitiendo el sonido a través del
medio de propagación, por ejemplo aire.
Por otra parte, cada partícula de un frente de onda
cualquier oscila en dirección de la propagación, inicialmente es empujada en la
dirección de propagación por efecto del incremento de presión provocado por el
foco, retornando a su posición anterior por efecto de la disminución de presión
provocada por su desplazamiento. De esta manera, las consecutivas capas de aire
(frentes) se empujan unas a otras transmitiendo el sonido, y por esa razón las
ondas sonoras son ondas longitudinales, y necesitan de un medio material para
desplazarse (sólido, líquido o gas).
El otro tipo principal de onda es la onda transversal,
en la que los desplazamientos a través del medio son en ángulo recto hacia la
dirección de propagación. Algunas ondas transversales son mecánicas, lo que
significa que la onda necesita un medio por donde viajar. Las ondas
mecánicas transversales también se llaman "ondas T" o
"ondas de corte".
Ejemplos de ondas longitudinales
Se incluye en el concepto de onda longitudinal: las ondas
de sonido (vibraciones en la presión, desplazamiento de partículas y
velocidad de las partículas propagada en un medio elástico) y las ondas
sísmicas de tipo P(creadas por los terremotos y explosiones).
En las ondas longitudinales, el desplazamiento del medio es
paralelo a la propagación de la onda, lo que significa que una onda que se
propaga en la longitud de un muelle (Slinky toy), donde la distancia entre los
bucles aumenta y disminuye, es una buena visualización. Las ondas de sonido en
el aire son ondas de presión longitudinales.
Onda de sonido[editar]
En el caso de las ondas de sonido longitudinales armónicas,
las relaciones entre el desplazamiento, el tiempo y la frecuencia pueden
describirse con la fórmula
donde:
"y" representa el desplazamiento del punto en la
onda de sonido en movimiento;
"x" representa la distancia que este punto ha
recorrido desde la fuente de la onda;
"t" representa el tiempo transcurrido;
"A0" representa la amplitud de las oscilaciones,
"c" representa la velocidad de la onda;
"ω " representa la frecuencia angular de la
onda.
La cantidad x / c es el tiempo que tarda la onda en recorrer
la distancia x.
La frecuencia ordinaria de la onda (f) es dada por:
La longitud de onda, que se puede calcular como la relación
entre la velocidad y la frecuencia ordinaria:
Es la distancia entre dos puntos consecutivos a lo largo del
eje de la propagación que presentan la misma presión.
Para las ondas de sonido, la amplitud de la onda es la
diferencia entre la presión del aire que no ha sido alterado y la máxima
presión causada por la onda.
La velocidad de propagación del sonido depende del tipo,
temperatura y composición del medio a través del cual se propaga.
Ondas de presión
En un medio elástico con una determinada rigidez, una
oscilación armónica de una onda de presión tiene la forma:
donde:
u0 es la amplitud del desplazamiento,
k es el número de onda,
x es la distancia a lo largo del axis de propagación,
ω es la frecuencia angular,
t es el tiempo
φ es la diferencia de fase.
La fuerza de restauración, que actúa devolviendo el medio a
su posición original, es dada por el módulo de compresibilidad.
Se denomina a la energía en tránsito que se reconoce solo
cuando se cruza la frontera de un sistema termodinámico. Una vez dentro del
sistema, o en los alrededores, si la transferencia es de dentro hacia afuera,
el calor transferido se vuelve parte de la energía interna del sistema o de los
alrededores, según su caso. El término calor, por tanto, se debe de entender
como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura
y en dirección de mayor a menor. De ello se deduce que no hay transferencia de
calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura (están
en equilibrio térmico)
El calor es aquello que siente un ser vivo ante
una temperatura elevada. La física entiende el calor como la energía que
se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo a otro, una transferencia
vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras partículas
TIPOS DE CALOR
Conducción: La transmisión de calor se produce
por contacto entres dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura a
través de un medio estacionario sin que se produzca transferencia de
materia entre ellos.
El calor como fuente de energía puede clasificarse bajo tres
grandes sistema de transferencia.
Convección: La transmisión de calor mediante el
sistema de transferencia se caracteriza porque se produce por medio del
movimiento de un fluido (líquido o gas) que transporta la energía térmica entre
zonas con diferentes temperaturas.
Radiación: La transmisión de calor mediante el
sistema de radiación se realiza mediante ondas electromagnéticas. A diferencia
de los dos sistemas anteriores, no existe contacto directoentre los
cuerpos a diferente temperatura ni transporte de fluidos intermedios
que liberen la energía térmica.
UNIDADES DE CALOR
El calor es una forma de energía, y sus unidades de
medida son el Joule (J) y la caloría (cal) (1 cal = 4,186 J) que fue definida
en su momento para el calor cuando no se había establecido que era una forma de
energía.
Caloría : Es la cantidad de calor que debe extraerse o
transferirse a un gramo de agua para cambiar su temperatura en 1º C
(cambiar su temperatura significa aumentarla en 1º C o disminuirla
en lº C). Se abrevia “cal”Junto con la caloría se usa también la
kilocaloría para medir el calor.
Kilocaloría: Es la cantidad de calor que debe
extraerse o transferirse a 1 kilogramo de agua para cambiar su temperatura en
1º C. Se abrevia kcal.
domingo, 24 de septiembre de 2017
En física y química,
la densidad (del latín densĭtas, -ātis) es una magnitud escalar referida a la cantidad
de masa en
un determinado volumen de una sustancia.
Usualmente se simboliza mediante la letra ro ρ del alfabeto
griego. La densidad media es la relación entre la masa de un
cuerpo y el volumen que ocupa.
Si un cuerpo no tiene una distribución uniforme de la masa
en todos sus puntos, la densidad alrededor de un punto dado puede diferir de la
densidad media. Si se considera una sucesión de pequeños volúmenes
decrecientes (convergiendo
hacia un volumen muy pequeño) centrados alrededor de un punto, siendo la masa
contenida en cada uno de los volúmenes anteriores, la densidad en el punto
común a todos estos volúmenes es:
PESO ESPECÍFICO
Peso Específico es una terminología que se utiliza en
química y física para describir a aquella relación existente entre el peso y el
volumen que ocupa una sustancia. La unidad de medida que se utiliza para medir
este peso específico más común es el Newton sobre metro cúbico, más sin
embargo, otras dependencias científicas del mundo utilizan el Kilopondio sobre
Metro Cúbico, la primera unidad pertenece al “sistema internacional” que se
aplica en el continente americano y la segunda al sistema técnico propio de los
estudiantes asiáticos y de algunas regiones del oriente medio y el sur de Europa.
Siendo el peso aquella fuerza de atracción sobre las cosas
que ejerce la tierra hacia ella y también el valor de la masa, y el volumen la
superficie que ocupa una sustancia, ente u objeto en una forma geométrica
cualquiera, resulta interesante esta disyuntiva física, porque para unos el
peso específico es aquel que determina la densidad, mientras que para otros es
el peso que ocupa una sustancia en un espacio, resultaría a efecto de lectura
lo mismo, pero el cálculo es empleado para diferentes funciones tanto en la
física como en la química.
La fórmula para calcular el Peso Específico es la siguiente:
En la fórmula que acabamos de apreciar, gamma corresponde al
peso específico, P es el peso de la sustancia, V es el Volumen que ocupa en el
recipiente, D es la densidad y G es la constante de gravedad que equivale a 9.8
metros cuadrados sobre segundos cuadrados.
EMPUJE
El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido
en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de
fluido desalojado.
La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en la figuras:
La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en la figuras:
El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en
equilibrio con el resto del fluido.
La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo
sólido de la misma forma y dimensiones.
Porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.
Consideremos, en primer lugar, las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto de fluido. La fuerza que ejerce la presión del fluido sobre la superficie de separación es igual a p·dS, donde p solamente depende de la profundidad y dS es un elemento de superficie.
Puesto que la porción de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión se debe anular con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la denominamos empuje y su punto de aplicación es el centro de masa de la porción de fluido, denominado centro de empuje.
De este modo, para una porción de fluido en equilibrio con el resto, se cumple
Empuje=peso=f·gV
El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido f por la aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V.
Se sustituye la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.
Si sustituimos la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Las fuerzas debidas a la presión no cambian, por tanto, su resultante que hemos denominado empuje es la misma y actúa en el mismo punto, denominado centro de empuje.
Lo que cambia es el peso del cuerpo sólido y su punto de aplicación que es el centro de masa, que puede o no coincidir con el centro de empuje.
Por tanto, sobre el cuerpo actúan dos fuerzas: el empuje y
el peso del cuerpo, que no tienen en principio el mismo valor ni están
aplicadas en el mismo punto.En los casos más simples, supondremos que el
sólido y el fluido son homogéneos y por tanto, coinciden el centro de masa
del cuerpo con el centro de empuje.
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Ejemplo:
Supongamos un cuerpo sumergido de densidad ρ rodeado
por un fluido de densidad ρf. El área de la base del cuerpo es A y
su altura h.
La presión debida al fluido sobre la base superior es p1= ρfgx,
y la presión debida al fluido en la base inferior es p2= ρfg(x+h). La
presión sobre la superficie lateral es variable y depende de la altura, está
comprendida entre p1 y p2.
Las fuerzas debidas a la presión del fluido sobre la
superficie lateral se anulan. Las otras fuerzas sobre el cuerpo son las
siguientes:
Peso del cuerpo, mg
Fuerza debida a la presión sobre la base superior, p1·A
Fuerza debida a la presión sobre la base inferior, p2·A
En el equilibrio tendremos que
mg+p1·A= p2·A
mg+ρfgx·A= ρfg(x+h)·A
mg+ρfgx·A= ρfg(x+h)·A
o bien,
mg=ρfh·Ag
Como la presión en la cara inferior del cuerpo p2 es
mayor que la presión en la cara superior p1, la diferencia es ρfgh. El
resultado es una fuerza hacia arriba ρfgh·A sobre el cuerpo debida al
fluido que le rodea.
Como vemos, la fuerza de empuje tiene su origen en la
diferencia de presión entre la parte superior y la parte inferior del cuerpo
sumergido en el fluido.
Con esta explicación surge un problema interesante y
debatido. Supongamos que un cuerpo de base plana (cilíndrico o en forma de
paralepípedo) cuya densidad es mayor que la del fluido, descansa en el fondo
del recipiente.
Si no hay fluido entre el cuerpo y el fondo del recipiente
¿desaparece la fuerza de empuje?, tal como se muestra en la figura
Si se llena un recipiente con agua y se coloca un cuerpo en
el fondo, el cuerpo quedaría en reposo sujeto por su propio peso mg y
la fuerza p1A que ejerce la columna de fluido situada por encima del
cuerpo, incluso si la densidad del cuerpo fuese menor que la del fluido. La
experiencia demuestra que el cuerpo flota y llega a la superficie.
El principio de Arquímedes sigue siendo aplicable en todos
los casos y se enuncia en muchos textos de Física del siguiente modo:
Cuando un cuerpo está parcialmente o totalmente sumergido
en el fluido que le rodea, una fuerza de empuje actúa sobre el cuerpo. Dicha
fuerza tiene dirección hacia arriba y su magnitud es igual al peso del fluido
que ha sido desalojado por el cuerpo.
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El efecto
Doppler, llamado así por el físico austriaco Christian Andreas Doppler, es el cambio de
frecuencia aparente de una onda producida por el movimiento relativo de la
fuente respecto a su observador.1
Hay
ejemplos cotidianos del efecto Doppler en los que la velocidad a la que se
mueve el objeto que emite las ondas es comparable a la velocidad de propagación
de esas ondas. La velocidad de una ambulancia (50 km/h) puede parecer
insignificante respecto a la velocidad del sonido al nivel del mar (unos
1235 km/h), sin embargo, se trata de aproximadamente un 4 % de la
velocidad del sonido, fracción suficientemente grande como para provocar que se
aprecie claramente el cambio del sonido de la sirena desde un tono más agudo a
uno más grave, justo en el momento en que el vehículo pasa al lado del
observador.
En
el caso del espectro
visible de la radiación electromagnética, si el objeto
se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, produciéndose un
corrimiento hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud
de onda más corta, desplazándose hacia el azul. Esta desviación hacia el rojo o
el azul es muy leve incluso para velocidades elevadas, como las velocidades
relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo,
solamente medirlo indirectamente utilizando instrumentos de precisión como espectrómetros.
Si el objeto emisor se moviera a fracciones significativas de la velocidad de la luz, sí sería apreciable de
forma directa la variación de longitud de onda.
Una animación que ilustra cómo el efecto Doppler provoca que el motor de
automóvil o una sirena produzca un sonido más agudo cuando se está acercando
que cuando se aleja. Los círculos de color rosado representan las ondas de
sonido.
LUZ
La luz (del latín lux, lucis) es la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida
por el ojo humano.1 En física,
el término luz es considerado como parte del campo de las radiaciones conocido
como espectro electromagnético, mientras que la
expresión luz visible señala específicamente la radiación en
el espectro visible.
La luz, como todas las radiaciones electromagnéticas, está formada por partículas elementales desprovistas de masa denominadas fotones,2cuyas propiedades
de acuerdo con la dualidad onda corpúsculo explican las características de su
comportamiento físico. Se trata de una onda esférica.3
La óptica es la rama de la física que estudia el
comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones.
Rayo de luz solar dispersado por partículas de polvo en el cañón del Antílope, en Estados Unidos.
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