Fisica

Termodinámica y calor

• Ø Termometría.
  
  Es la parte de la física que se encarga de la medición de la temperatura, es decir, mide la intensidad de agitación entre las moléculas de un cuerpo o un sistema, para este fin se utiliza el termómetro; pero también es necesario que el instrumente tenga una escala de medición (para esto se emplea el principio cero de la termodinámica), para este fin la escala debe basarse en el cambio de alguna propiedad de la materia, y este cambio debe ser causando por efecto del calor; es necesario tener dos puntos opuestos en la escala de medición, uno inferior y otro superior. En la actualidad se han establecido 4 escalas de medición: Celsius, Kelvin, Fahrenheit, Rankine.
    

ü Propiedades termométricas.

Se le llama propiedad termométrica, a la que posee una sustancia que varía sus propiedades junto con la temperatura y a la vez es directamente proporcional a ella. Por ejemplo: el aumento de la longitud de una varilla metálica, la presión ejercida por un gas, la resistividad eléctrica de un metal, el volumen de un líquido, etc.

ü Escalas termométricas.

En la actualidad se han establecido varias escalas termométricas para medir temperatura relativa y absoluta.

      ·     Escala Celsius: Esta escala fija el valor “0” para el punto de fusión del    

            agua y “100” para su punto de ebullición.

·      Escala Kelvin: Esta escala fija el valor “0” al punto donde desaparece la agitación molecular, conocido como “el cero absoluto”, esta escala no presenta temperaturas negativas ya que no tendría sentido.

·   Escala Fahrenheit: Esta escala hija el valor “32” para el punto de fusión del cloruro de amoniaco en agua y “212” para su punto de ebullición.

·    Escala Rankine: Esta escala se obtiene midiendo la escala Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que su intervalo de grados es idéntico al de Fahrenheit y carece de valores negativos.

          Ø Dilatación.

         La dilatación es la expansión de un cuerpo por efecto del calor, por lo que podemos    

           decir que la dilatación de un cuerpo es directamente proporcional con la temperatura a  

           la que está sometido. La dilatación no es más que una propiedad termométrica, por

           el hecho de que las dimensiones de los cuerpos, por lo general, aumentan regularmente  

           con la temperatura, este principio constituye el fundamento de la mayor parte de

           termómetros ordinarios.

   Aplicación.

• En el cableado utilizado para los servicios de comunicaciones como Internet, lineas telefónicas  etc, se debe tener en cuenta la dilatación en cada tramo que se deja entre cada poste, para anticipar accidentes como ruptura del cable por mucha tensión. 
• Se debe tener en cuenta que en días calurosos los alambres de cobre dentro de los aislantes de goma se dilataran, esto podría evitar las telecomunicaciones por lo que se deben hacer lo cálculos respectivos para evitar inconvenientes 

CALOR

El calor está definido como una forma de energía, que puede ser transferida entre diferentes cuerpos o sistemas y hasta en el nivel molecular, es importante resaltar que solo puede haber transferencia de calor entre dos cuerpos con diferentes temperaturas y siempre ocurrirá desde un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura. 

La transferencia de calor entre cuerpos culmina en el equilibrio térmico, es decir cuando el cuerpo de mayor temperatura y el de menor adquieren la misma temperatura, es importante resaltar que la temperatura de equilibrio estará en el rango del cuerpo con mayor temperatura y el de menor temperatura.

Ya que el calor, en términos de la termodinámica, es la transferencia de energía, podemos decir que hay diferentes mecanismos de la transferencia de esta: radiación, conducción, radiación.

Observación: cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino, energía interna.

Observación: La unidad que utilizamos para medir el calor es el Joule, caloría, BTU , PSI.

 Ø Cambio de fase.

       Al aplicar calor a una sustancia, esta puede cambiar de un estado a otro, a estos  
       procesos se les conoce como cambio de fase, en la naturaleza podemos encontrar 3   
       estados de la materia: solido, liquido y gaseoso; pero también se conocen 2 mas:  
       plasmático y el condesado de bose Einstein.

   Aplicaciones.

• En un modem se debe tener en cuenta que el calor generado por el sistema puede provocar cambios físicos en el resto de circuitos, provocando su deterioro  teniendo en cuenta esto, seria muy beneficioso utilizar materiales que sean malos conductores del calor, así se podria extender el tiempo de vida de un modem.

TRANSFERENCIA DE CALOR

En términos físicos la transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura, por ejemplo, si un cuerpo solido o un fluido, esta a una temperatura diferente de su entorno u algún otro cuerpo, la transferencia de energía térmica o intercambio de calor ocurrirá hasta que el cuerpo y su entorno alcancen un equilibrio térmico.

  
   Mecanismos de transferencia térmica 

• 
  
•   Conducción: Es la transferencia del movimiento cinético de las moléculas a sus propias moléculas adyacentes o otras sustancias con la que estén en contacto, por ejemplo, un olla sobre una hornilla encendida.

• Convección: Se caracteriza porque se produce por intercambio de fluidos (liquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas, por ejemplo, el conducto refrigerante utilizado por las refrigeradoras.

• Radiación: Es la emitida por cuerpos debido a su temperatura sea esta baja o alta, ya que todo cuerpo emite radiación electromagnética, la intensidad de la radiación electromagnética esta en proporción directa con la temperatura y a la longitud de onda.

    Aplicaciones.

• Cuando se hacen las instalaciones del cableado en un hogar, en especifico el cableado para telecomunicaciones se debe tener cuidado al colocar los diferentes dispositivos como modem, router, swicht, etc ya que estos estos tienden a calentarse y ponerlos cerca uno del otro podría provocar un desastre, por lo que se puede aplicar capas aislantes que no dejen que ocurra una transferencia de calor entre los dispositivos.

TERMODINAMICA

Es la rama de la física que estudia el proceso de las transformaciones de energía, en sistemas reales ya sean estos cerrados, abiertos o aislados siguiendo un método experimental. Sus estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, volumen, etc. y también se define por medio de magnitudes no extensivas como la temperatura, presión, etc.

  

  Ø Leyes de la termodinámica.

ü Principio cero de la termodinámica.

                          Establece que existe una determinada propiedad denominada “temperatura empírica”, la
                          cual es común para todos los estados de equilibrio termodinámico, es decir, si entran en
                          contacto un objeto caliente con un objeto frio, ambos variaran su temperatura hasta que
                          estas sean iguales.

ü Primera ley de la termodinámica.

                         También conocido como el principio de conservación de la energía, establece que si se                      
                         realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna 
                         del sistema cambiara, es decir, la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

ü Segunda ley de la termodinámica.

                           Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos, 
                           y por lo tanto, la imposibilidad de que ocurra en el sentido contrario, también establece 
                           la imposibilidad de convertir  completamente toda energía de un tipo a otro sin perdidas 
                        durante el proceso, es decir, la 2^da ley de la termodinámica impone ciertas restricciones para 
                           la transferencia de energía.

ü Tercera ley de la termodinámica.

                           Esta ley afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto por medio
                           de un número finito de procesos químicos.

Observación: es importante resaltar que los principios de la termodinámica son validos para sistemas macroscópicos, pero inválidos al nivel microscópico.

   Ø Sistemas.         
                         Es un conjunto de materia, que está limitado por una superficie, que le pone el   

                         observador, real o imaginario.

• Sistema abierto: Se da cuando existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores, por ejemplo, un coche, al que se le echa combustible y desprende diferentes tipos de gases y a la vez calor.

• Sistema cerrado: Se da cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante, solo se puede dar un intercambio de energía, por ejemplo, un reloj de cuerda, no se introduce ni se saca materia de el, solo un aporte de energía para medir el tiempo.

• Sistema cerrado: Se da cuando no existe intercambio de masa y energía con los alrededores, por ejemplo, un termo lleno de agua que se encuentra completamente aislado al medio circundante.

   Aplicaciones.

• Este tema es perfectamente aplicable a los dispositivos rotadore, codificadores, decodificadores, ya que estos son sistemas abiertos, que consumen energía y la transforman en energía útil para el área de telecomunicaciones, en este caso transportando datos por redes cableadas, con los conocimientos adquiridos podemos mejorar el sistema de estos dispositivos para hacerlos mas eficientes, ya que estos dispositivos generan mucho calor, nos podemos dar cuenta que hay un gran derroche de energía por ese lado, por que se podría aplicar nuevos sistemas que eviten eso.

Segunda ley de la termodinámica.

Esta es una de las leyes más importantes de la física, esta ley es un principio general que va mas allá de las limitaciones que impone la primera ley de la termodinámica e impone restricciones a la transferencia y transformación de la energía, también explica el concepto de irreversibilidad y la de entropía. 

    ¿Qué es la entropía?

        La entropía es un proceso cíclico que aumentara o permanecerá igual, también está definida como una   

        unidad de medida de la cantidad de energía que no está disponible para realizar trabajo.

 

    ¿Qué es la ley cero de la termodinámica?

       El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables  

       empíricas usadas para definir un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización,  

       magnetización, tensión lineal, tensión superficial, entre otras) no son dependientes del tiempo. A dichas 

       variables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas   

       del sistema.

Aplicación.

• En la vida cotidiana vemos comúnmente el fenómeno antes mencionado, pero si enfocamos lo aprendido a las telecomunicaciones podremos ver que este fenómeno se aplica en las supercomputadoras, ya que al tener microprocesadores superiores es necesario abastecerlas con mucha energía  pero la mayoría de esta se convierte en calor debido al proceso de datos, es por eso que se debe tener conocimientos del tema ya que si no se controla la energia que abastece estos procesadores el calor podría malograrlas.

Movimiento armónico simple.

El movimiento armónico simple, es un movimiento periódico, ya que su movimiento se repite en intervalos regulares de tiempo, también es un movimiento oscilatorio, ya que su trayectoria la recorre en ambas direcciones, y finalmente podemos decir que es un movimiento vibratorio, ya que su trayectoria es rectilínea y su origen se encuentra en el centro de la misma.

Este movimiento es producido por la acción de una fuerza recuperadora, a su vez es directamente proporcional a la posición pero en sentido opuesto. Este movimiento queda descrito en función del tiempo por una función senoidal.

Aplicación.

• Las grandes antenas parabólicas de telecomunicaciones son magnificas maquinas debido a los beneficios que nos da, esto porque sus movimientos para la recepción y emisión de datos son muy precisos, pero hay algo mas detrás de esta gran precisión es fundamental que estas estructuras tengas un sistema suspencion para que las vibraciones producto de sus movimientos no afecten la precisión que deben tener y la vez para que la comunicación no se vea afectada por sismos.  

Movimiento ondulatorio.

Para poder entender este tema primero debemos conocer la definición de una onda; Según la física una 

onda una perturbación que se propaga con el tiempo.

          Onda mecánica.

               Es una perturbación de las propiedades mecánicas de un medio material ya sean estas posición, 

               velocidad y energía de sus átomos o moléculas.

            Para poder hablar de una onda mecánica es necesario que esta tenga:

               -Alguna fuente de perturbación.
               -Un medio en el que se propague dicha perturbación.
               -Algún medio físico atreves del cual elementos del medio puedan influir uno al otro.

• Uno de los mejores ejemplos de onda mecánica es el sonido, ya que este se propaga a través de medio materiales ya sea por un medio liquido, solido o gaseoso.

          Onda electromagnética.

              Es una forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio, es decir no se 

              propaga a través de algún medio físico, sino que lo hace por medio del vacío siendo esto el punto 

              de diferencia con la onda mecánica.

                        Onda transversal.

                                En este tipo de onda el movimiento de oscilación que conforma el medio será 

                                perpendicular a la dirección de propagación de la onda, para poder entenderlo mejor  

                                imaginemos que la onda se mueve en un plano “x”, entonces sus oscilaciones irán de   

                                arriba hacia abajo con respecto del eje “y”.

                       Onda longitudinal.

                            En este tipo de onda el movimiento de oscilación que conforma el medio será paralelo a 

                            la dirección de propagación de la onda, este tipo de ondas también son conocidas con el 

                            nombre de ondas de presión u ondas de compresión.

Aplicación.

• En el ámbito de las telecomunicaciones, el tener principio de ondas es fundamental, esto porque toda transmisión de dato se da a través de ondas del tipo electromagnéticas, pero esto no queda acá  su principal importancia también esta en la seguridad para el usuario, ya que si bien es cierto cualquier onda podría transmitir información, pero también esta podría ser dañina para el usuario, si no se controlan la frecuencia y amplitud con las que estas son emitidas, por lo que este tema se aplica en toda empresa de servicios de comunicación.  

Acústica.

El sonido ha sido de mucha importancia en la historia, gracias a este fenómeno es que la sociedad ha podido comunicar y aun mas importante, desarrollarse.

La acústica es la rama de la física que se encarga de realizar estudios sobre el sonido, el infrasonido y el ultrasonido, sobre estos la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento reproducción del sonido.    

El estudio de la acústica tiene su origen en la antigua Grecia y en Roma desde que comenzó la música, pero el primero en realizar estudios científicos sobre el tema fue Pitágoras.

¿Que es el sonido?

Es un fenómeno vibratorio transmitido en forma de onda mecánica que se propaga por medio de materia (medio elástico), su propagación involucra transporte de energía más no de materia   

Onda sonora

Fuentes de sonido.

Una de las fuentes de sonido es el golpe de partículas que puede generar la vibración de un cuerpo solido, un claro ejemplo de esto es el diapasón, también es una fuente la oscilaciones que realiza una cuerda, la intensidad del sonido dependeré la de amplitud de la onda.

El ruido.

El ruido son aquellos sonidos capaces de causar daños a cualquier persona. Para el ser humano existe un cierto rango de audición que varía entre los 20 y 20000 Hz, las personas son afectadas cuando es mayor la presión sonora y mientras mayor se la intensidad del sonido, generalmente las personas presentan daños al estar expuestos a ruidos mayor que los 80 dB.

Aplicaciones.

En la naturaleza el hombre vio como el murciélago, siendo un animal casi ciego, es capaz de desplazarse sin problemas, esto porque utiliza el ultrasonido como ubicar obstáculos, el mismo protocolo se usa para las embarcaciones y hasta submarinos, esto con el fin de que no choquen con contra posibles obstáculos marinos, también se ha visto que se emplea este sistema para sensores para la seguridad con el objetivo de detectar objetos cercanos.

Óptica.

La óptica es la rama de la física que se encarga de realizar estudios sobre la luz, las propiedades de esta y todo fenómeno que se relaciona con la luz.

¿Qué es la luz?

La  luz es un tipo de radiación que se comporta como una onda electromagnética en su propagación, pero al entrar en contacto con materia la luz tiene un carácter corpuscular, con alusión a los fotones.

Óptica geométrica.

La óptica geométrica es la parte de la óptica que habla sobre la reflexión y refracción basándose en la ley de Snell.

Reflexión.

Es el cambio de dirección de un haz de luz al entrar en contacto con la separación entre medio cambiantes, de tal manera que regresa al estado inicial.

Refracción.

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda.

Aplicaciones.

La fibra óptica, en realidad está hecho con fibra de vidrio, es utilizada para la transferencia de datos, dicha fibra tiene la capacidad de transferir grandes cantidades de datos a velocidades muy altas, ya que los datos viajan por medio de la luz, la velocidad más rápida conocida.

Al momento de pagar las compras en los supermercados muchas veces hemos podido observar que utilizan una serie de espejos y laser para detectar el código del producto, los espejos reflejan el laser hacia todas direcciones para que pueda registrar el código más rápido.

Óptica II

Lentes

Las lentes son curvaturas con pequeñas distancias focales, dichas curvaturas permite curvar los rayos de luz que llegan al centro óptico lo que amplía el ángulo de observación original.

Lente convergente.

Estas lentes tienen la particularidad de producir imágenes reales e invertidas de menor tamaño, siempre que el objeto se encuentra por delante del foco, estas lentes son más gruesas en el centro que en los bordes.

Lente divergente.

Las lentes divergentes son más delgadas en el centro que en los bordes. Su imagen focal es menor que 0. Todos los rayos paralelos que inciden sobre ella, salen divergiendo de la misma, de forma que parecen que parten de un mismo punto anterior a la misma lente, estas lentes producen imágenes virtuales, directas y de menor tamaño.

Aplicaciones.

Los satélites que actualmente orbitan alrededor de la tierra no solo sirven para las telecomunicaciones, sino que tienen potentes lentes con un alcance de visión increíble, esto ayuda al hombre a conocer mas su entorno respecto del universo; también estas lentes son utilizadas en centros astronómicos en la tierra.