CONTENIDO

PARTE I: INTRODUCCION A LA TERMICA

TemperaturaEs una magnitud fsica descriptiva de un sistema que caracteriza la transferencia de energa trmica o calor entre ese sistema y otros. Desde un punto de vista microscpico, es una medida de la energa cintica asociada al movimiento aleatorio de las partculas que componen el sistema.La sensacin de calor o fro al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas. Cuando se aporta calor a una sustancia, no slo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensacin de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades fsicas que pueden medirse con precisin. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia elctrica cambia, y (en el caso de un gas) su presin vara. La variacin de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numrica precisa de temperaturas. A manera de conclusin: la temperatura es una propiedad fsica de la materia que mide el grado de calor que un cuerpo posee.

DESCRIPCION MACROSCOPICA Y MICROSCOPICAEl estudio macroscpico o microscpico de un sistema puede hacerse desde sus aspectos internos, es decir, se puede dirigir el estudio hacia el interior del sistema, como su energa interna, la presin interna de un gas, la vaporizacin, etc. Las magnitudes internas se miden con las coordenadas termodinmicas. Sus relaciones constituyen la termodinmica.Descripcin o nivel macroscpicoNormalmente todos los objetos visibles a simple vista son a todos los efectos macroscpicos, en oposicin a los objetos microscpicos y los fenmenos microscpicos, no visibles a simple vista y donde la mecnica cuntica puede desempear un papel importante, en su descripcin.En fsica, el nivel macroscpico es el nivel de descripcin en que la posicin o estado fsico concreto de las partculas que integran un cuerpo puede ser resumido en una ecuacin de estado que slo incluye magnitudes extensivas (volumen, longitud,masa) y magnitudes intensivas promedio (presin, temperatura).La termodinmica (rama de la fsica), estudia los efectos de los cambios de magnitudes de los sistemas a un nivel macroscpico.Macroscpicamente, esta energa cintica promedio de las partculas de un sistema es lo que en la Termodinmica se llama energa interna, que es una energa que depende casi exclusivamente de la temperatura del sistema y es la suma de: la energa cintica interna, es decir, de las sumas de las energas cinticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de la energa potencial interna, que es la energa potencial asociada a las interacciones entre estas individualidadesEn el plano macroscpico, el incremento de la temperatura produce diversos efectos perceptibles o mensurables, como un aumento del volumen del cuerpo, la disminucin de la densidad, el cambio de estado o la modificacin del color (por ejemplo, enrojecimientoDescripcin o nivel microscpicoEn la Fsica, al hablar del nivel microscpico se alude a redes cristalinas, molculas, tomos e incluso partculas subatmicas (electrones, protones, etc.). En general, la descripcin del nivel microscpico requiere el uso de las ecuaciones y reglas de la mecnica cuntica.. Desde un punto de vista microscpico, la temperatura se considera una representacin de la energa cintica interna media de las molculas que integran el cuerpo considerado sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que es mayor la energa un sistema se observa que esta ms caliente es decir, que su temperatura es mayor.

Equilibrio TrmicoSe dice que los cuerpos en contacto trmico se encuentran en equilibrio trmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro. Esta definicin requiere adems que las propiedades fsicas del sistema, que varan con la temperatura, no cambien con el tiempo.

Medida de la temperaturaUna de las primeras escalas de temperatura, todava empleada en los pases anglosajones, fue diseada por el fsico alemn Gabriel Daniel Fahrenheit. Segn esta escala, a la presin atmosfrica normal, el punto de solidificacin del agua (y de fusin del hielo) es de 32 F, y su punto de ebullicin es de 212 F. La escala centgrada o Celsius, ideada por el astrnomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi todo el mundo, asigna un valor de 0 C al punto de congelacin del agua y de 100 C a su punto de ebullicin. En ciencia, la escala ms empleada es la escala absoluta o Kelvin, inventada por el matemtico y fsico britnico William Thomson, lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que est situado en -273,15 C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centgrada.

Las ecuaciones para transformar de una escala a otra son las siguientes: T(F) = 1,8 T(C) + 32 T(K) = T(C) + 273,16

Comparacin de las escalas de temperatura Kelvin, Celsius y Fahrenheit

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El calor como forma de energa.

CalorTransferencia de energa de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energa en trnsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energa no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

Unidades de medida del calorTradicionalmente, la cantidad de energa trmica intercambiada se mide en caloras, que es la cantidad de energa que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura de 14.5 a 15.5 grados elsius. El mltiplo ms utilizado es la kilocalora (kcal):

Joule, tras mltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas, por un juego de pesas, se movan en el interior de un recipiente con agua, estableci el equivalente mecnico del calor, determinando el incremento de temperatura que se produca en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitacin de las palas:

Montaje experimental para la determinacin del equivalente mecnico del calor

El joule (J) es la unidad de energa en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.), tal que 1 calora equivale a 4186 Joules.

El BTU, (o unidad trmica britnica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros pases de Amrica. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit (o la escala del Gabriel), y equivale a 252 caloras.

Calor especficoEn la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos cuerpos de la misma masa y la misma temperatura inicial, la temperatura final ser distinta. Este factor que es caracterstico de cada sistema, depende de la naturaleza del cuerpo, se llama calor especfico, denotado por c y se define como la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius. Matemticamente, la definicin de calor especfico se expresa como:

Unidades: J/Kg-K y cal/g-C. Calor especfico del agua: 1 cal/g-C.

Transformaciones en el estado de agregacin Punto de fusin: es la temperatura a la cual el estado slido y el estado lquido de una sustancia, coexisten en equilibrio trmico, a una presin de 1 atmsfera. Por lo tanto, el punto de fusin no es el pasaje sino el punto de equilibrio entre los estados slido y lquido de una sustancia dada. Al pasaje se lo conoce como derretimiento. Al proceso inverso se denomina punto de congelacin. Punto de ebullicin: es la temperatura que debe alcanzar ste para pasar del estado lquido al estado gaseoso. Al proceso inverso se denomina punto de condensacin. Calor latente de fusin (Lf): cantidad de calor necesaria para fundir cierta cantidad de material slido (o solidificarla si est en estado lquido), pero sin que haya un cambio significativo en su temperatura. Unidades. Cal/g; joules/Kg. Calor latente de ebullicin (Le): cantidad de calor necesaria para evaporar cierta cantidad de material en estado lquido (o condensar si est en estado gaseoso), pero sin que haya un cambio significativo en su temperatura. Unidades. Cal/g; joules/Kg.

Propagacin del calorEl calor se puede transmitir por el medio de tres formas distintas: Conduccin trmica. Conveccin trmica. Radiacin trmica.

Conduccin: es el proceso que se produce por contacto trmico entre dos cuerpos, debido al contacto directo entre las partculas individuales de los cuerpos que estn a diferentes temperaturas, lo que produce que las partculas lleguen al equilibrio trmico. La conduccin pura se presenta slo en materiales slidos. Ej: cuchara metlica en la taza de t.

Conveccin: slo se produce en fluidos (lquidos o gases), ya que implica movimiento de volmenes de fluido de regiones que estn a una temperatura, a regiones que estn a otra temperatura. El transporte de calor est inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. La conveccin siempre est acompaada de la conduccin, debido al contacto directo entre partculas de distinta temperatura en un lquido o gas en movimiento. Ej: los calefactores dentro de la casa.

Radiacin: es el proceso por el cual se transmite a travs de ondas electromagnticas. Implica doble transformacin de la energa para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energa trmica a radiante y luego viceversa. Ej: La energa solar.

Conduccin de calorEn el caso de la conduccin, la temperatura de calentamiento depende del tipo de material, de la seccin del cuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica porqu algunos cuerpos se calientan ms rpido que otros a pesar de tener exactamente la misma forma, y que se les entregue la misma cantidad de calor. La conductividad trmica de un cuerpo est dado por:

Donde: Q es el calor entregado, t es el intervalo de tiempo durante el cual se entrego calor, A es la seccin del cuerpo, L es el largo, y T es el incremento en la temperatura.

Dilatacin trmicaSe denomina dilatacin al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensin mtrica que sufre un cuerpo fsico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.

Dilatacin lineal: Lf = Lo (1 + (Tf To)) Dilatacin superficial: Sf = So (1 + 2 (Tf To)) Dilatacin volumtrica: Vf = Vo (1 + 3 (Tf To))

Lquidos y gases: Dilatacin volumtrica: Vf = Vo (1 + (Tf To))

Donde: = coeficiente de dilatacin lineal [1/C] = coeficiente de dilatacin volumtrico (3) [1/C] Lo = Longitud inicial del cuerpo. Lf = Longitud final del cuerpo. So = Superficie inicial del cuerpo. Sf = Superficie final del cuerpo. Vo = Volumen inicial del cuerpo. Vf = Volumen final del cuerpo. To = Temperatura inicial del cuerpo. Tf = Temperatura final del cuerpo.

PARTE II: OSCILACIONES Y ONDAS

Movimiento armonico simple

Definicin: es un movimiento vibratorio bajo la accin de una fuerza recuperadora elstica, proporcional al desplazamiento y en ausencia de todo rozamiento.

Solemos decir que el sonido de una determinada nota musical se representa grficamente por la funcin seno. sta representa un movimiento vibratorio llamado movimiento armnico simple, que es aquel que se obtiene cuando los desplazamientos del cuerpo vibrante son directamente proporcionales a las fuerzas causantes de este desplazamiento.

Un ejemplo de este movimiento se puede encontrar a partir del desplazamiento de un punto cualquiera alrededor de toda la longitud de una circunferencia.

Cuando un punto (P) recorre una circunferencia con velocidad uniforme, su proyeccin (Q) sobre cualquiera de los dimetros de esta, realiza un tipo de movimiento armnico simple. Cada vez que el punto se encuentre en uno de los cuatro cuadrantes de la circunferencia, se trazar una perpendicular desde el punto a un dimetro fijo de la circunferencia. A medida que el punto escogido se mueve a velocidad uniforme, el punto proyectado en el dimetro, realizar un movimiento oscilatorio rectilneo.

Para representar grficamente (en una funcin) el movimiento armnico simple de un punto, se toman como abscisas los tiempos medidos como fracciones del perodo (T/12, T/6, T/4...) que es el tiempo que este punto tarda en dar una vuelta completa a la circunferencia; y como a ordenadas las sucesivas prolongaciones del mismo. La resultante es una sinusoide, ya que la variacin del tiempo t, se traduce como una variacin del sin x, donde x es el ngulo que forma el radio con el semi-eje positivo de abscisas (x es proporcional al tiempo).

Elementos:

1. Oscilacin o vibracin: es el movimiento realizado desde cualquier posicin hasta regresar de nuevo a ella pasando por las posiciones intermedias.

2. Elongacin: es el desplazamiento de la partcula que oscila desde la posicin de equilibrio hasta cualquier posicin en un instante dado.

3. Amplitud: es la mxima elongacin, es decir, el desplazamiento mximo a partir de la posicin de equilibrio.

4. Periodo: es el tiempo requerido para realizar una oscilacin o vibracin completa. Se designa con la letra "t".

5. Frecuencia: es el nmero de oscilacin o vibracin realizadas en la unidad de tiempo.

6. Posicin de equilibrio: es la posicin en la cual no acta ninguna fuerza neta sobre la partcula oscilante.