Principios Fundamentales de Termodinámica, Ondas y Acústica

Termodinámica y Transferencia de Calor

Cuando los componentes de un sistema se encuentran a la misma temperatura, se alcanza el equilibrio térmico.

Calorímetro

Un calorímetro es un recipiente que mantiene la temperatura constante. Al mezclar dos sustancias en un calorímetro, el calor pasa de la sustancia que está a mayor temperatura a la sustancia que está a menor temperatura hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

4. Dilatación

La dilatación es otro efecto que sufren los cuerpos al aumentar su temperatura. Es el aumento de longitud, superficie o volumen de los cuerpos.

• Sólidos: Se puede considerar la dilatación lineal, superficial o cúbica.
• Líquidos: La mayoría de los líquidos se dilatan al aumentar la temperatura, excepto el agua por debajo de 4ºC.
• Gases: Los gases se dilatan de acuerdo con la ley de Charles y Gay-Lussac.

5. Equivalente Mecánico del Calor

Existen varios experimentos en los que la energía mecánica se convierte en calor y viceversa.

Joule demostró la equivalencia entre calor y trabajo (W). Cuando una cantidad de energía mecánica se consume en un sistema, se genera una cantidad de calor igual al trabajo consumido. En realidad, siempre hay una parte de la energía que se degrada, es decir, tiene menor cantidad útil.

6. Transmisión de la Energía Térmica

La energía térmica se transmite cuando pasa calor de un cuerpo "caliente" a un cuerpo "frío".

6.1. Conducción

Proceso por el cual el calor atraviesa un sólido. Hay cuerpos que conducen bien el calor y otros son aislantes.

Las partículas que están a mayor temperatura poseen también mayor energía cinética y ceden parte de esa energía a las partículas que las rodean, sin necesidad de que se muevan.

6.2. Convección

Proceso por el que un fluido transmite calor debido a su movimiento. Tiene lugar un movimiento de las partículas del fluido debido a las diferencias de densidad.

6.3. Radiación

Es la emisión continua de energía desde la superficie de un cuerpo. Es energía en forma de ondas electromagnéticas y se propaga sin necesidad de que exista materia de por medio. Es la forma en la que se transmite la energía del Sol.

Fenómenos Ondulatorios y Acústica

2. Fenómenos Ondulatorios

Cambio de dirección que experimenta una onda al chocar contra una superficie lisa sin atravesarla.

2.1. Reflexión de las Ondas

Leyes de la Reflexión:

1. El rayo incidente y el rayo reflejado están en el mismo plano.
2. Los ángulos incidente y reflejado son iguales.
3. El rayo incidente y el reflejado se propagan con la misma velocidad.

2.2. Refracción

Cambio de dirección y de velocidad que experimenta una onda al atravesar una superficie de distinta densidad o profundidad.

Leyes de la Refracción:

1. El rayo incidente y el rayo refractado están en el mismo plano.
2. Si un rayo pasa a un medio más denso, su velocidad disminuye y el ángulo refractado es menor que el incidente, y viceversa.
3. Un rayo perpendicular se refracta sin desviarse.

2.3. Difracción

Fenómeno que se produce cuando una onda encuentra un obstáculo cuyo tamaño es inferior a su longitud de onda. Cuanto más pequeño sea el obstáculo, mayor es la difracción.

3. El Sonido

El sonido es una onda longitudinal, mecánica, que tiene su origen en la vibración de los cuerpos. No se propaga en el vacío. Se propaga en los medios homogéneos con velocidad constante.

La velocidad del sonido depende de la temperatura del aire y equivale aproximadamente a 340 m/s.

En los cuerpos sólidos, el sonido viaja a mayor velocidad. Algunos cuerpos sólidos no pueden propagar el sonido (son aislantes acústicos).

3.1. Propagación del Sonido

• a) Reflexión:
  • Eco: Cuando la superficie reflectante está a más de 17 m.
  • Reverberación: Distancia menor de 17 m (prolongación del sonido).
• b) Refracción: Se produce al pasar el aire entre dos capas con distinta temperatura.

3.2. Cualidades del Sonido

• a) Intensidad: Mide la cantidad de energía de la onda sonora. Permite distinguir sonidos fuertes y débiles. La sensación con que se percibe el sonido se llama sonoridad (se mide en decibelios). Para que un sonido sea audible, debe superar los 40 dB. Un sonido doloroso se percibe a 120 dB.
• b) Tono: Mide la frecuencia fundamental de la onda sonora. Permite distinguir sonidos graves y agudos.
• c) Timbre: Es la forma de la onda sonora.