Fundamentos de Física: Termodinámica, Ondas y Óptica Esencial

Termodinámica: Energía, Calor y Temperatura

Energía Térmica

La energía térmica es la suma de las energías cinéticas de todas las partículas que forman un cuerpo. Cuanto mayor es la velocidad de las partículas de un cuerpo, mayor es su energía térmica.

Calor

El calor es una energía en tránsito, es decir, energía que pasa de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura.

Dilatación y Contracción

La dilatación es el fenómeno por el cual casi todas las sustancias aumentan su volumen al absorber calor. Como consecuencia, su densidad disminuye. El efecto contrario es la contracción, que ocurre cuando las sustancias ceden calor y su volumen se reduce. El mayor efecto de la dilatación se observa en los gases, seguido de los líquidos y, finalmente, en los sólidos. El calor puede provocar cambios tanto en las propiedades físicas como químicas de los cuerpos.

Diferencia entre Calor y Temperatura

La temperatura es una propiedad de los sistemas materiales que nos informa sobre el estado de agitación de sus partículas. Es una magnitud física, como la masa y el espacio, que indica el grado de agitación molecular de un cuerpo. La temperatura no es energía; expresa el estado de agitación molecular y se mide en grados Kelvin (K) o Celsius (°C). Nuestro sentido del tacto puede captar la temperatura.

Equilibrio Térmico

El equilibrio térmico se produce cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto y, al cabo de cierto tiempo, alcanzan la misma temperatura. Es importante destacar que calor y temperatura son magnitudes distintas.

Termómetros y Escalas de Temperatura

Los termómetros son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura.

• La escala Celsius es la más utilizada del mundo; su referencia inferior es el punto de fusión del hielo (0 °C).
• La escala Kelvin no es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de temperatura mínima posible (cero absoluto), donde los átomos y las moléculas estarían en reposo (-273.15 °C o 0 K). La relación para convertir de Celsius a Kelvin es: T(K) = T(°C) + 273.15.

Mecanismos de Transferencia de Calor

Conducción

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor predominante en los sólidos.

• Los conductores térmicos son aquellos materiales en los que el calor se propaga con facilidad a través de ellos (ej. metales).
• Los aislantes térmicos son aquellos que ofrecen resistencia a la propagación del calor. Suelen ser porosos o fibrosos, con aire en su interior (ej. madera, plástico); el aire es un buen aislante.

Convección

La convección se produce en los fluidos (líquidos y gases). Los fluidos se dilatan al calentarse y disminuye su densidad. El fluido caliente asciende sobre el frío debido a su menor densidad, creando corrientes de convección.

Ondas y Fenómenos Ondulatorios

Concepto de Onda

Una onda es una perturbación que se propaga en un medio o en el vacío en un tiempo determinado. Una onda no transporta materia, solo energía.

Tipos de Ondas

• Ondas Mecánicas: Requieren un medio material o elástico que vibre para propagarse. Ejemplos incluyen las ondas del agua, las ondas sísmicas y el sonido.
• Ondas Electromagnéticas: Se propagan en el vacío. La luz del sol nos llega con estas ondas, así como las utilizadas en antenas de TV, móviles y hornos microondas.

Propiedades de las Ondas

• La longitud de onda es la distancia entre el punto más alto de dos crestas consecutivas de la onda.
• La frecuencia es el número de crestas que pasan por un punto en un segundo. Cuanto mayor es la longitud de onda, menor es su frecuencia, y viceversa.

Luz y Sonido

La Luz

La luz es una onda electromagnética que no requiere un medio material para su propagación. Se transmite mediante un movimiento ondulatorio hasta llegar a nuestros ojos. Desde allí, se envía un estímulo a nuestro cerebro, permitiéndonos ver.

Materiales y la Luz

• Transparentes: Dejan pasar una gran parte de la luz y permiten ver a través de ellos.
• Opacos: No dejan pasar la luz (ej. madera y metal).
• Translúcidos: Solo dejan pasar una parte de la luz que reciben (ej. vidrio esmerilado y algunos plásticos).

Refracción de la Luz

La refracción de la luz consiste en el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz al pasar de un medio de propagación a otro en el cual se propaga con distinta velocidad.

Lentes

Una lente es un objeto transparente de plástico o vidrio, limitado por dos superficies (siendo al menos una de ellas curva). Se utiliza para desviar la trayectoria de los rayos luminosos y formar imágenes.

Espejos

Los espejos son instrumentos ópticos de vidrio con una superficie lisa y pulida. Pueden ser planos o curvos (como los convexos y cóncavos).

El Sonido

El sonido es una onda mecánica que necesita un medio material (gaseoso, líquido o sólido) para propagarse. Para su transporte, debe existir un emisor, un receptor y un medio material elástico. El oído transforma las vibraciones exteriores en impulsos nerviosos que envía al cerebro. El sonido se propaga tridimensionalmente a cualquier punto del espacio.