Física moderna

CUANTOS

La teoría cuántica, es una teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.

Introducción del cuanto de Planck

A principios del siglo XX, los físicos aún no reconocían claramente que éstas y otras dificultades de la física estaban relacionadas entre sí. El primer avance que llevó a la solución de aquellas dificultades fue la introducción por parte de Planck del concepto de cuanto, como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo negro realizados por los físicos en los últimos años del siglo XIX (el término "cuerpo negro" se refiere a un cuerpo o superficie ideal que absorbe toda la energía radiante sin reflejar ninguna). Un cuerpo a temperatura alta —al rojo vivo— emite la mayor parte de su radiación en las zonas de baja frecuencia (rojo e infrarrojo); un cuerpo a temperatura más alta —al rojo blanco— emite proporcionalmente más radiación en frecuencias más altas (amarillo, verde o azul). Durante la década de 1890, los físicos llevaron a cabo estudios cuantitativos detallados de esos fenómenos y expresaron sus resultados en una serie de curvas o gráficas. La teoría clásica, o precuántica, predecía un conjunto de curvas radicalmente diferentes de las observadas. Lo que hizo Planck fue diseñar una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud; después dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la fórmula. Su hipótesis fue que la energía sólo es radiada en cuantos cuya energía es h·n , donde nes la frecuencia de la radiación y h es el ‘cuanto de acción’, ahora conocido como constante de Planck.

La energía es discontinua y depende de la frecuencia de la radiación:

Ecuación de Planck: E=h·n = h·c/l

Aportaciones de Einstein: Efecto fotoeléctrico

Los siguientes avances importantes en la teoría cuántica se debieron a Albert Einstein, que empleó el concepto del cuanto introducido por Planck para explicar determinadas propiedades delefecto fotoeléctrico, un fenómeno experimental en el que una superficie metálica emite electrones cuando incide sobre ella una radiación.

Según la teoría clásica, la energía de los electrones emitidos —medida por la tensión eléctrica que generan— debería ser proporcional a la intensidad de la radiación. Sin embargo, se comprobó que esta energía era independiente de la intensidad —que sólo determinaba el número de electrones emitidos— y dependía exclusivamente de la frecuencia de la radiación. Cuanto mayor es la frecuencia de la radiación incidente, mayor es la energía de los electrones; por debajo de una determinada frecuencia crítica, no se emiten electrones. Einstein explicó estos fenómenos suponiendo que un único cuanto de energía radiante expulsa un único electrón del metal. La energía del cuanto es proporcional a la frecuencia, por lo que la energía del electrón depende de la frecuencia.

Einstein aplica el principio de conservación de la energía al efecto fotoeléctrico:

Energía incidente= Energía de extracción + Energía cinética

Ei = W0+Ec

h·n = h·n0 + ½ m·v2

El átomo de Bohr

En 1911, Rutherford estableció la existencia del núcleo atómico. A partir de los datos experimentales de la dispersión de partículas alfa por núcleos de átomos de oro, supuso que cada átomo está formado por un núcleo denso y con carga positiva, rodeado por electrones cargados negativamente que giran en torno al núcleo como los planetas alrededor del Sol. La teoría electromagnética clásica desarrollada por el físico británico James Clerk Maxwell predecía inequívocamente que un electrón que girara en torno a un núcleo radiaría continuamente energía electromagnética hasta perder toda su energía, y acabaría cayendo en el núcleo. Por tanto, según la teoría clásica, el átomo descrito por Rutherford sería inestable. Esta dificultad llevó al físico danés Niels Bohr a postular, en 1913, que la teoría clásica no es válida en el interior del átomo y que los electrones se desplazan en órbitas fijas, llamadas estacionarias, sin emitir energía. Cada cambio de órbita de un electrón corresponde a la absorción o emisión de un cuanto de radiación.

La aplicación de la teoría de Bohr a átomos con más de un electrón resultó difícil. Las ecuaciones matemáticas para el siguiente átomo más sencillo, el de helio, fueron resueltas durante la segunda y tercera década del siglo XX, pero los resultados no concordaban exactamente con los datos experimentales. Para átomos más complejos sólo pueden obtenerse soluciones aproximadas de las ecuaciones, y se ajustan sólo parcialmente a las observaciones.

Teoría de la relatividad

La teoría de la relatividad está compuesta a grandes rasgos por dos grandes teorías (la de la relatividad especial y la de la relatividad general) formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica y el electromagnetismo.

La primera teoría, publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias, en el que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento. La segunda, de 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana pero coincide numéricamente con ella en campos gravitatorios débiles. La teoría general se reduce a la teoría especial en ausencia de campos gravitatorios.

Relatividad especial (relatividad restringida)

Publicada por Albert Einstein en 1905, describe la física del movimiento en el marco de un espacio-tiempo plano, describe correctamente el movimiento de los cuerpos incluso a grandes velocidades y sus interacciones electromagnéticas y se usa básicamente para estudiar sistemas de referencia inerciales.

Relatividad General

Publicada por Albert Einstein en 1915 y 1916.

La relatividad general para aplicar plenamente el programa de Ernst Mach de la relativización de todos los efectos de inercia, incluso añadiendo la llamada constante cosmológica a sus ecuaciones de campo para este propósito.

PREDECIBILIDAD

Predicción tiene por etimología el latín pre+dicere, esto es, “decir antes”. No se trata sólo de “decir antes”, sino de “decirlo bien”, o sea, acertar; también, hacerlo con un plazo suficiente para poder tomar las medidas que se crean oportunas, y además tener una idea de hasta cuándo es posible predecir el futuro con cierto éxito.

Cuando se efectúa una predicción, se está estimando un valor futuro de alguna variable que se considere representativa de una cierta situación.

También se pueden hacer predicciones espaciales, como la ubicación, movilidad e intensidad local de fenómenos extremos, caso por ejemplo de los huracanes y tormentas tropicales

Normalmente ambos tipos de predicción están ligados y se realizan a la vez, como lo prueban los productos que ofrecen las s grandes agencias e institutos de Meteorología y Climatología.

Pueden construirse de modos muy diversos, de algunos de los cuales nos ocuparemos en este trabajo, y su bondad se mide -como es natural- por el porcentaje de aciertos en situaciones del pasado predichas con igual técnica. Las bases de registros disponibles hoy día permiten realizar experimentos de predecibilidad con datos pasados y simular situaciones ya conocidas mediante diversas técnicas, estudiando y comparando los resultados.Predicción tiene por etimología el latín pre+dicere, esto es, “decir antes”. No se trata sólo de “decir antes”, sino de “decirlo bien”, o sea, acertar; también, hacerlo con un plazo suficiente para poder tomar las medidas que se crean oportunas, y además tener una idea de hasta cuándo es posible predecir el futuro con cierto éxito.

Cuando se efectúa una predicción, se está estimando un valor futuro de alguna variable que se considere representativa de una cierta situación.

También se pueden hacer predicciones espaciales, como la ubicación, movilidad e intensidad local de fenómenos extremos, caso por ejemplo de los huracanes y tormentas tropicales

Normalmente ambos tipos de predicción están ligados y se realizan a la vez, como lo prueban los productos que ofrecen las s grandes agencias e institutos de Meteorología y Climatología.

Pueden construirse de modos muy diversos, de algunos de los cuales nos ocuparemos en este trabajo, y su bondad se mide -como es natural- por el porcentaje de aciertos en situaciones del pasado predichas con igual técnica. Las bases de registros disponibles hoy día permiten realizar experimentos de predecibilidad con datos pasados y simular situaciones ya conocidas mediante diversas técnicas, estudiando y comparando los resultados.

CAOS

Teoría del caos es la denominación popular de la rama de las matemáticas, la física y otras ciencias que trata ciertos tipos de sistemas dinámicos muy sensibles a las variaciones en las condiciones iniciales. Pequeñas variaciones en dichas condiciones iniciales pueden implicar grandes diferencias en el comportamiento futuro; complicando la predicción a largo plazo. Esto sucede aunque estos sistemas son en rigor determinismos es decir; su comportamiento puede ser completamente determinado conociendo sus condiciones iniciales.

Los sistemas dinámicos se pueden clasificar básicamente en:

Estables, Inestables, Caóticos.

Un sistema estable tiende a lo largo del tiempo a un punto, u órbita, según su dimensión (a tractor o sumidero). Un sistema inestable se escapa de los atractores. Y un sistema caótico manifiesta los dos comportamientos. Por un lado, existe un a tractor por el que el sistema se ve atraído, pero a la vez, hay "fuerzas" que lo alejan de éste. De esa manera, el sistema permanece confinado en una zona de su espacio de estados, pero sin tender a un a tractor fijo.

A tractores extraños

La mayoría de los tipos de movimientos mencionados en la teoría anterior suceden alrededor de a tractores muy simples, tales como puntos y curvas circulares llamadas ciclos límite. En cambio, el movimiento caótico está ligado a lo que se conoce como a tractores extraños, que pueden llegar a tener una enorme complejidad como, por ejemplo, el modelo tridimensional del sistema climático de Lorenz, que lleva al famoso a tractor de Lorenz conocidos, no sólo porque fue uno de los primeros, sino también porque es uno de los más complejos y peculiares, pues desenvuelve una forma muy peculiar más bien parecida a las alas de una mariposa.

EFECTO MARIPOSA La idea de la que parte la Teoría del Caos es simple: en determinados sistemas naturales, pequeños cambios en las condiciones iniciales conducen a enormes discrepancias en los resultados. Este principio suele llamarse efecto mariposa debido a que, en meteorología, la naturaleza no lineal de la atmósfera ha hecho afirmar que es posible que el aleteo de una mariposa en determinado lugar y momento, pueda ser la causa de un terrible huracán varios meses más tarde en la otra punta del globo

Núcleo y Radiactividad

La radiactividad o radioactividad es un fenómeno físico por el cual los núcleos de algunos elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, se les suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones, protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer, espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables.



La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una excepción lo constituye el neutrón, que posee carga neutra (igual carga positiva como negativa), pero ioniza la materia en forma indirecta. En las desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de radiación: alfa, beta, gamma y neutrones.



La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables", es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X) o de sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el uranio que, con el transcurrir de los siglos, acaba convirtiéndose en plomo.



La radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usa en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades, entre otras).



La radiactividad puede ser:

• Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza. 

•  Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones artificiales.

FUSIÓN

La fusión nuclear, está actualmente en líneas de investigación, debido a que todavía hoy no es un proceso viable, ya que se invierte más energía en el proceso para que se produzca la fusión, que la energía obtenida mediante este método.

La fusión, es un proceso natural en las estrellas, produciéndose reacciones nucleares por fusión debido a su elevadísima temperatura interior.

Las estrellas están compuestas principalmente por Hidrógeno y Helio. El hidrógeno, en condiciones normales de temperatura, se repele entre sí cuando intentas unirlo (fusionarlo) a otro átomo de hidrógeno, debido a su repulsión electrostática. Para vencer esta repulsión electrostática, el átomo de hidrógeno debe chocar violentamente contra otro átomo de hidrógeno, fusionándose, y dando lugar a Helio, que no es fusionable. La diferencia de masa entre productos y reactivos es mayor que en la fisión, liberándose así una gran cantidad de energía (muchísimo mayor que en la fisión). Estos choques violentos, se consiguen con una elevada temperatura, que hace aumentar la velocidad de los átomos.

La primera reacción de fusión artificial, tuvo origen en la investigación militar, fue una bomba termonuclear (o también llamada bomba-H o de Hidrógeno), para obtener la temperatura adecuada que inicia el proceso de fusión (unos 20 millones de grados centígrados) se utilizó una bomba atómica.

FISIÓN

Es el proceso utilizado actualmente en las centrales nucleares. Cuando un átomo pesado (como por ejemplo el Uranio o el Plutonio) se divide o rompe en dos átomos más ligeros, la suma de las masas de estos últimos átomos obtenidos, más la de los neutrones desprendidos es menor que la masa del átomo original, y de acuerdo con la teoría de Albert Einstein  se desprende una cantidad de Energía que se puede calcular mediante la expresión E = m C2

 Para romper un átomo, se emplea un neutrón porque es neutro eléctricamente y por tanto, al contrario que el protón o las partículas alfa, no es repelido por el núcleo. El neutrón se lanza contra el átomo que se quiere romper, por ejemplo, Uranio-235. Al chocar el neutrón, el átomo de Uranio-235 se convierte en Uranio-236 durante un brevísimo espacio de tiempo, como este último átomo es sumamente inestable, se divide en dos átomos diferentes y más ligeros (por ejemplo Kriptón y Bario o Xenón y Estroncio), desprendiendo 2 ó 3 neutrones (el número de neutrones desprendidos depende de los átomos obtenidos, supongamos como ejemplo 3 neutrones). Estos 3 neutrones, vuelven a chocar con otros 3 átomos de Uranio-235, liberando en total 9 neutrones, energía y dos átomos más ligeros, y así sucesivamente, generándose de esta forma una reacción en cadena.

Como se puede comprobar, en cada reacción sucesiva, se rompen 3n átomos, donde n indica 1ª, 2ª, 3ª,..., reacción.

Otra reacción nuclear de fisión  que ocurre en muchos reactores nucleares es:

²³⁵₉₂U + n _® ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3n + Energía

En las centrales nucleares el proceso se modera, evitando la reacción en cadena, para generar energía de forma lenta, pues de lo contrario el reactor se convertiría en una bomba atómica. El proceso básico es el siguiente:

Como combustible se utilizan barras de Uranio enriquecido al 4% con Uranio-235.

El Uranio natural es mayoritariamente U-238,  el que es fisionable es el   U-235, que es un 0.71% del Uranio que se encuentra en la naturaleza, de ahí que solo un pequeño porcentaje del Uranio se aproveche y se requieran grandes cantidades de este para obtener una cantidad significativa de U-235.

Las barras con el U-235 se introducen en el reactor, y comienza un proceso de fisión. En el proceso, se desprende energía en forma de calor. Este calor, calienta unas tuberías de agua, y esta se convierte en vapor, que pasa por unas turbinas, haciéndolas girar. Estas a su vez, hacen girar un generador eléctrico, produciendo así electricidad. Lógicamente, no se aprovecha toda la energía obtenida en la fisión, parte de ella se pierde en calor, resistencia de los conductores, vaporización de agua, etc.

Los neutrones son controlados para que no explote el reactor mediante unas barras de control (generalmente, de Carburo de Boro), que al introducirse, absorben neutrones, y disminuye el número de fisiones, con lo cual, dependiendo de cuántas barras de control se introduzcan, se generará más o menos energía. Normalmente, se introducen las barras de tal forma, que solo se produzca un neutrón por reacción de fisión, controlando de esta forma el proceso de fisión. Si todas las barras de control son introducidas, se absorben todos los neutrones, con lo cual se pararía el reactor.

El reactor se refrigera, para que no se caliente demasiado, y funda las protecciones,  incluso cuando este esté parado, ya que la radiación hace que el reactor permanezca caliente.

Luz

LA LUZ

La luz es una forma de energía capaz de provocar cambios en los cuerpos. Así, por ejemplo, nuestra piel y la de muchos animales cambia de color cuando se expone a la luz solar. También es una importante fuente de energía para las plantas, que la utilizan para fabricarse el alimento.

Luz: una forma de energía.

Gracias a ella podemos ver todo aquello que hay a nuestro alrededor. Hay cuerpos que producen y emiten su propia luz. Estos cuerpos reciben el nombre de fuentes luminosas. Hay fuentes luminosas naturales, que producen luz propia y se encuentran en la naturaleza, como el Sol, el fuego y algunos insectos como las luciérnagas, y fuentes luminosas artificiales,fabricadas por las personas, como la bombilla (ampolleta), las velas, las cerillas (fósforos) y los tubos fluorescentes.

Durante el día la luz del Sol nos ilumina, los rayos de luz que nos llegan del Sol son una forma más en que se manifiesta la energía, la cual puede ser utilizada por el hombre para su provecho. De noche, sin embargo, necesitamos otras fuentes de luz, por eso conectamos bombillas (ampolletas), usamos una linterna o encendemos una luz para poder ver.

Propagación de la luz

La luz emitida por una fuente luminosa es capaz de llegar a otros objetos e iluminarlos. Este recorrido de la luz, desde la fuente luminosa hasta los objetos, se denomina rayo luminoso.

El sol: fuente de luz y energía.

Las características de la propagación de la luz son:

• La luz se propaga en línea recta. Por eso la luz deja de verse cuando se interpone un cuerpo entre el recorrido de la luz y la fuente luminosa.

• La luz se propaga en todas las direcciones. Esa es la razón por la cual el Sol ilumina todos los planetas del sistema solar.

• La luz se propaga a gran velocidad.

Si encendemos una bombilla (ampolleta) en una habitación, inmediatamente llega la luz a cualquier rincón de la misma. Es decir, la luz se propaga en todas direcciones. A no ser que encuentren obstáculos en su camino, los rayos de luz van a todas partes y siempre en línea recta.

Además, en el mismo momento de encender la ampolleta vemos la luz. Esto ocurre porque la luz viaja desde la ampolleta hasta nosotros muy rápido. La luz se propaga en el aire a una gran velocidad. En un segundo recorre trescientos mil (300.000) kilómetros. Sin embargo, la velocidad de la luz no es la misma en todos los medios. Si viaja a través del agua, o de un cristal, lo hace más lentamente que por el aire.

Propiedades de la luz

Algunas propiedades de la luz, como el color, la intensidad, dependen del tipo de fuente luminosa que las emita. No obstante, existen otras propiedades, como la reflexión y la refracción, que son comunes a todos los tipos de luz.

La reflexión: la luz cambia de dirección

Se propaga a gran velocidad y en todas direcciones.

Al situarnos ante un espejo, en una habitación iluminada, vemos nuestra imagen en él; es decir, nos vemos reflejados en el espejo. ¿A qué se debe esto? Los rayos de luz que entran por la ventana nos iluminan y llegan hasta el espejo. Al chocar con él cambian de dirección y vuelven hacia nosotros. Esto nos permite ver lo que iluminaban a su paso, es decir, nos vemos a nosotros mismos.

De la misma manera que una pelota choca contra una pared, rebota y cambia de dirección, los rayos luminosos, al chocar con una superficie como la del espejo, vuelven en una dirección distinta de la que llevaban. Este fenómeno se llama reflexión.

La reflexión de la luz es un cambio de dirección que experimenta la luz cuando choca contra un cuerpo.

La reflexión de la luz hace posible que veamos los objetos que no tienen luz propia.

Los espejos son cuerpos opacos, con una superficie lisa y pulida, capaces de reflejar la luz que reciben.

Hay dos tipos de espejos:

• Espejos planos, que producen imágenes de la misma forma y tamaño que el objeto que reflejan.

• Espejos esféricos, que producen imágenes de diferente tamaño al del objeto que reflejan.

Hay dos tipos de espejos esféricos:

Espejos cóncavos, como la parte interna de una cuchara. Si nos miramos en él, veremos nuestra imagen pequeña y hacia abajo, pero al aproximarnos mucho, la imagen aparece ampliada y hacia arriba. Por ejemplo, los espejos de maquillaje son cóncavos, porque permiten ver ampliados los detalles de la cara.

Espejos convexos, como la parte externa de una cuchara. Producen imágenes más pequeñas que el objeto que reflejan, y siempre hacia arriba. Los retrovisores de los coches son espejos convexos y nos ayudan a ver más carretera.

Refracción de la luz.

La refracción: la luz 

cambia de velocidad

La luz no se propaga del mismo modo en el aire que en otro medio. Al cambiar de medio, la luz cambia de dirección y de velocidad. Este fenómeno se llama refracción. Por eso decimos que la luz se ha refractado.

La refracción de la luz es el cambio de dirección que sufre la luz cuando pasa de un medio a otro diferente, por ejemplo cuando pasa del aire al agua.

La refracción de la luz sirve para ver los objetos con una dimensión diferente de la real. Ello se consigue con el uso de las lentes.

Las lentes son cuerpos transparentes que refractan la luz, y pueden ser:

Convergentes o Divergentes

Estos efectos de la refracción de la luz se utilizan en algunos aparatos, como la lupa y el microscopio, que nos permiten ver los objetos aumentados. Los rayos luminosos se refractan en unos cristales especiales, de que están provistos estos aparatos, y de este modo podemos ver los objetos a un tamaño mucho mayor del que tiene en realidad.

La luz y los colores

La luz que recibimos del Sol se llama luz blanca. La luz blanca es una mezcla de siete colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. Cuando la luz blanca atraviesa un prisma de cristal podemos ver estos siete colores. También podemos verlos en elarco iris.

Hay tres colores, amarillo, azul y rojo, con los que podemos conseguir todos los demás, por eso se llaman colores primarios.

¿Cuál es el color de la luz?

Cuando llueve y a la vez hace sol, aparece en el cielo el arco iris, una banda de colores en forma de arco. La luz del Sol es blanca, pero cuando esta luz atraviesa las pequeñas gotas de agua de lluvia, se descompone en los siete colores anteriormente citados.

Naturaleza de la luz

El hombre siempre se ha preguntado qué es la luz. En el intento de responder esta cuestión ha desarrollado diferentes teorías, que se han ido elaborando para interpretar la naturaleza de la luz, hasta llegar al conocimiento actual.

Para explicar la naturaleza de la luz, los filósofos de la antigua Grecia propusieron algunas teorías en las que ésta se confundía con el fenómeno de la visión.

Según decían los pitagóricos, la luz procedía de los objetos que se veían y que al llegar al ojo producía el efecto de la visión. En cambio, Euclides y los platónicos sostenían que la sensación visual se produce cuando los "haces oculares" enviados desde los ojos chocan con los objetos y permite verlos. Podría resumirse la idea de los platónicos acerca de la visión diciendo: “Ojos que no ven, luz que no existe”.

De esta manera, los griegos se abocaron a la solución de estos problemas sin encontrar respuestas adecuadas.

Siguiendo el curso de la historia, los científicos han propuesto diversas teorías para explicar la naturaleza de la luz, siendo tres las más importantes. Éstas son:

-  Teoría propuesta por Isaac Newton (corpúsculos)

 -  Teoría propuesta por Huygens (ondas)

 -  Teoría de los Fotones

a)  Teoría de Isaac Newton: Esta teoría fue planteada en el siglo XVII por el físico inglés Isaac Newton. Según Newton, la luz consistía en un flujo de pequeñísimas partículas o corpúsculos emitidos por las fuentes luminosas que se movían con gran rapidez, logrando atravesar los cuerpos transparentes, permitiéndonos de esta forma ver a través de ellos. En los cuerpos opacos, los corpúsculos rebotaban, por lo cual no se podía  observar lo que había detrás de ellos.  Sin embargo, experiencias realizadas posteriormente demostraron que esta teoría no explicaba en su totalidad la naturaleza de la luz.

Christiaan Huygens.

b) Teoría de Christian Huygens: Este científico holandés elaboró una teoría diferente a la de Isaac Newton para explicar la naturaleza y el comportamiento de la luz. Postulaba que la luz emitida por una fuente estaba formada porondas, al igual que los cuerpos sonoros. Las ondas corresponden al movimiento específico que sigue la luz al propagarse.

Esta teoría puso de manifiesto que su poder explicativo era mejor que el de la teoría de Newton, lo que llevó a descartar definitivamente, en el siglo XIX, la creencia de que la luz estaba formada por partículas.

c) Fotones de luz: Aunque durante el siglo XIX se había aceptado definitivamente la naturaleza ondulatoria de la luz, experiencias realizadas a principios del siglo veinte demostraron que la luz es a la vez onda y corpúsculo;es decir, se comporta como onda o como partícula.

Max Planck (1858-1947), físico alemán, premiado con el Nóbel, considerado el creador de la teoría cuántica, fue el primero en enunciar que la luz no se comporta ni como una onda ni como una partícula, sino que combina las propiedades de ambas, una teoría que desarrollo más tarde Albert Einstein.

Para explicar la reflexión, la refracción y la difracción (o sea la propagación) de la luz, hay que imaginarla similar a una onda sonora, con una frecuencia y una longitud de onda. Pero para explicar la emisión y absorción de luz por un átomo, hay que imaginarla como paquetes de partículas (llamados inicialmente cuantos), cada uno de los cuales transporta una cantidad de energía. Hoy día, estos “pequeños paquetes de energía” se denominan fotones.

Así la luz, en cuanto a su propagación, se comporta como una onda. Pero, la energía de la luz es transportada, junto con la onda luminosa, por unos pequeñísimos corpúsculos que se denominan fotones ("pequeños paquetes de energía").

Corriente eléctrica

La corriente eléctrica está definida por convenio en el sentido contrario al desplazamiento de los electrones.

La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denominaamperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, lo que se aprovecha en el electroimán.
El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.
corriente electrica continua.
es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad.


Ley de Mallas
El principio de conservación de la energía se aplica a circuitos a través de la ley de mallas. Conecte un circuito serie de tres resistores y verifique que la suma de voltajes (medido en cada uno de ellos) coincide con el voltaje en los terminales (bornes) de la fuente.La suma algebraica de todas las diferencias de potencial a lo largo de un recorrido cerrado (malla) en el circuito, es nula. Es decir: sumatoria delta V = 0 para un recorrido cerrado.Este teorema es simplemente una manera particular de enunciar el Principio de Conservación de la Energía en circuitos eléctricos, lo que se explica a partir de que la diferencia de potencial se define en función de trabajo y energía.

Ley de Nodos
El principio de conservación de la carga eléctrica se expresa a través de la ley de nodos. Un nodo es un punto donde el circuito se divide en ramas aunque puede considerarse un nodo cualquier punto al que llegue al menos un conductor y del que salga al menos otro.En cualquier nodo, la suma algebraica de las corrientes debe ser cero. Este teorema, que también se conoce como primera ley de Kirchhoff, es simplemente el enunciado del principio de conservación de la carga.

CIRCUITOS RLC

En los circuitos RLC se acoplan resistencias, capacitores e inductores. Existe también un ángulo de desfasaje entre las tensiones y corrientes (y entre las potencias), que incluso puede llegar a hacerse cero. En caso de que las reactancias capacitivas e inductivas sean de distinto valor para determinada frecuencia, tendremos desfasajes.

Dependiendo de cual de las reactancias sea mayor podremos afirmar si se trata de un circuito con características capacitivas o inductivas y por lo tanto si la tensión adelanta a la corriente (y con qué ángulo) o si la corriente adelanta a la tensión.

A continuación detallamos los valores de un circuito RLC simple en serie.

En un circuito RLC que presente los tres elementos conectados en paralelo, la tensión total aplicada al circuito es la misma que la que tenemos en bornes de cada elemento, mientras que la intensidad que circula para cada uno de ellos es distinta y depende de los efectos de la R,

Gases

GASES

TEORÍA CINÉTICA-MOLECULAR DE LOS GASES

En 1905 Einstein aplicó la teoría cinética al movimiento browniano de una partícula pequeña inmersa en un fluido y sus ecuaciones fueron confirmadas por los experimentos de Perrín en 1908, convenciendo de esta forma a los enérgicos de la realidad de los átomos. La teoría cinética de los gases utiliza una descripción molecular para explicar el comportamiento macroscópico de la materia y se basa en los siguientes postulados:

POSTULADOS

-Los gases están constituidos por partículas que se mueven en línea recta y al azar.

- Este movimiento se modifica si las partículas chocan entre sí o con las paredes del recipiente.

- El volumen de las partículas se considera despreciable comparado con el volumen del gas.

- Entre las partículas no existen fuerzas atractivas ni repulsivas.

- La energía cinética media de las partículas es proporcional a la temperatura absoluta del gas.

LEY DE AVOGADRO

Esta ley descubierta por Avogadro en el siglo XIX, establece la relación entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la presión y la temperatura.

k es constante.

El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas:

-Si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen.

-Si disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminuye.

LEY DE BOYLE

Fue descubierta por Robert Boyle en 1962. Edne Mariotte también llego a la misma conclusión que Boyle, pero no publico su trabajo asta 1976. Esta es la razón por la que muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte.

Esta ley establece la que la presión de un gs en un recipiente es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.

k es constante

El volumen es inversamente proporcional a la presión:

-Si la presión aumenta, el volumen disminuye.

-Si la presión disminuye, el volumen aumenta.

LEY DE CHARLES

Relación que existe entre la temperatura y el volumen cuando la temperatura es constante.

k es constante

En 1787, Charles estudio por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a una presión constante y observo que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen diminuía.

LEY DE GAY-LUSSAC

Fue enunciada por Josep Louis Gay-Lussac a principios de 1800. Establece la relacion entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.

k es contante

La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura:

-Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión.

-Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.

PROCESOS TERMODINÁMICOS

Primera ley de la termodinámica.

La primera ley de la termodinámica establece que, cuando se añade calor Q a un sistema mientras éste efectúa trabajo W, la energía interna U cambia en una cantidad igual a Q – W. 

La primera ley de termodinámica es la misma ley del principio de conservación de la energía, la cual exige que para todo sistema termodinámico se cumpla:

∆U = Q-W

Siendo ∆U la energía interna del sistema.

Trabajo en los gases.

Se considera un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, sobre el cual actúa la presión atmosférica P, cuando la temperatura del gas aumenta, el gas se expande a presión constante, cuando el gas se expande ejerce una fuerza F sobre el pistón y le produce un incremento en su volumen ∆V, de tal modo que el trabajo realizado por el gas sobre el pistón está dado por:

W = P*∆V

Proceso adiabático

Se designa como proceso adiabático a aquel 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 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 una 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 de que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.

Durante un proceso adiabático, la energía interna del fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer.

Es decir, que en este tipo de procesos se tiene que Q = 0. Que de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos que:

Q= ∆U +W

Como Q =0, entonces, ∆U = -W.

Esto quiere decir, que para un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, cuyas paredes no permiten la transferencia de calor al exterior, la variación de energía interna es igual al trabajo, ya sea realizado por el sistema o sobre el sistema.

Proceso isotérmico.

En este proceso la temperatura permanece constante. Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como isotérmica.



De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q = ∆U +W.

Como ∆U = 0, entonces, Q = W

Este proceso se observa cuando en un pistón que contiene un gas, después de suministrarle calor y producir cambios tanto en la presión como en el volumen su temperatura permanece constante.

Proceso isobárico.

Es un proceso termodinámico en el cual la presión permanece constante, en este proceso, como la presión se mantiene constante, se produce una variación en el volumen y por tanto el sistema realiza trabajo o se puede realizar trabajo sobre el sistema.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos:

Q = ∆U +W

Lo que quiere decir que en un proceso de tipo isobárico tanto el calor transferido como el trabajo realizado ocasionan una variación de la energía interna.

Proceso isométrico o isocórico

En este proceso el volumen permanece constante, es decir que en este tipo de proceso el volumen no varía y por tanto el trabajo es igual a cero, lo que significa queW= 0.



De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q = ∆U +W

Como W=0, entonces Q = ∆U 

Proceso diatérmico 

· Un proceso diatérmico quiere decir que deja pasar el calor fácilmente.

· Una interacción térmica es cualquier otro tipo de intercambio de energía. En este caso la pared se denomina diatérmica.

· Diatérmico también puede entenderse por isotérmico , significa que no hay cambio de temperatura debido a una pared diatérmica que aísla el sistema del medio ambiente

· En cuanto diatérmicos se refieren a que el sistema tiene un intercambio de energía con los alrededores, un ejemplo, nosotros, los seres humanos, somos sistemas diatérmicos, ya que estamos intercambiando energía con nuestro ambiente

· Una pared diatérmica es aquella que permite la transferencia de energía térmica (calor) pero, sin que haya transferencia de masa. El opuesto es una pared adiabática que es la que impide la transferencia de energía en forma de calor. 

· Cualquier superficie real es una superficie diatérmica, por ejemplo, un vaso, los muros de una casa, etc., todos en mayor o menor grado permiten la transferencia de calor.

ONDAS
En física, una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vacío.
La magnitud física cuya perturbación se propaga en el medio se expresa como una función tanto de la posición como del tiempo



. Matemáticamente se dice que dicha función es una onda si verifica la ecuación de ondas:






donde es la velocidad de propagación de la onda. Por ejemplo, ciertas perturbaciones de la presión de un medio, llamadas sonido, verifican la ecuación anterior, aunque algunas ecuaciones no lineales también tienen soluciones ondulatorias, por ejemplo, un solitón.




Características


A = En aguas profundas.
B = En aguas superficiales. El movimiento elíptico de una partícula superficial se vuelve suave con la baja intensidad.
1 = Progresión de la onda
2 = Monte
3 = Valle

Las ondas periódicas están caracterizadas por crestas o montes y valles, y usualmente es categorizada como longitudinal o transversal. Una onda transversal es aquella con las vibraciones perpendiculares a la dirección de propagación de la onda; ejemplos incluyen ondas en una cuerda y ondas electromagnéticas. Onda longitudinal es aquella con vibraciones paralelas en la dirección de la propagación de las ondas; ejemplos incluyen ondas sonoras.
Cuando un objeto corte hacia arriba y abajo en una onda en un estanque, experimenta una trayectoria orbital porque las ondas no son simples ondas transversales sinusoidales.
Ondas en la superficie de una cuba son realmente una combinación de ondas transversales y longitudinales; por lo tanto, los puntos en la superficie siguen caminos orbitales.
Todas las ondas tienen un comportamiento común bajo un número de situaciones estándar. Todas las ondas pueden experimentar las siguientes:

Difracción - Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo deja de ir en línea recta para rodearlo.
Efecto Doppler - Efecto debido al movimiento relativo entre la fuente emisora de las ondas y el receptor de las mismas.
Interferencia - Ocurre cuando dos ondas se combinan al encontrarse en el mismo punto del espacio.
Reflexión - Ocurre cuando una onda, al encontrarse con un nuevo medio que no puede atravesar, cambia de dirección.
Refracción - Ocurre cuando una onda cambia de dirección al entrar en un nuevo medio en el que viaja a distinta velocidad.
Onda de choque - Ocurre cuando varias ondas que viajan en un medio se superponen formando un cono.