GUÍA 4

La termodinamica

  se puede definir como lel estudio del comportamiento de la energia calorifica  y las diferentes formas de  manifestación de esta energia en calor, sirve de punto de referencia para comprender porque los motores nunca pueden ser totalmente eficientes y porque es imposible enfriar un material hasta el cero absoluto, una temperatura a la cual las diferentes sustancias no tienen energia calorífica, los principios de la termacinamoicase pueden aplicar al diseño de los motores, al calculo de la energia liberadaen reacciones , e a estimar laedad del universo.

PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA

Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.
Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. De este principio podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas termométricas).

Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. Según se creía, esta sustancia hipotética llamada calórico era un fluido capaz de atravesar los medios materiales.

Por el contrario, el primer principio de la termodinámica identifica el calórico, o calor, como una forma de energía. Se puede convertir en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es una sustancia material. Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes.

La segunda ley de la termodinámica

Definición precisa de una propiedad llamada entropía. La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema.

La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues preferir el desorden y el caos. Se puede demostrar que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta.

TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

El segundo principio sugiere la existencia de una escala de temperatura absoluta con un cero absoluto de temperatura. El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él.

2- Como comprender de manera activa y practica los campos electroestáticos

Einstein desarrollo dos teorías de la relatividad:

La teoría especial de la relatividad en 1905, que se ocupa de la forma en la cual el espacio y el tiempo se manifiestan a diferentes observadores, que se mueven a velocidades relativas constantes entre ellos. Cuando en física hablamos de observadores, nos referimos a personas que pueden hacer mediciones de espacio con una regla, o del paso del tiempo con un reloj. Es decir esta teoría es una teoría del espacio - tiempo

La teoría general de la relatividad en 1915, es una teoría que estudia las causas de la gravedad, de la atracción existente entre dos cuerpos. Pensemos por un momento lo extraño que resulta afirmar que dos cuerpos muy masivos (Ej. La tierra y la luna), ejercen entre sí una fuerza de atracción a pesar de estar separados por una gran distancia y no estar unidos por nada material. La acción a distancia sin una conexión concreta, es algo extraño, aunque al estar acostumbrados a percibirla, no nos asombra. Newton había determinado cual era la ecuación matemática que expresa la ley física de atracción entre los cuerpos, pero nunca explico el porqué de la acción a distancia que ejercen los cuerpos entre sí. Esta teoría de Einstein brinda de alguna manera ese por quela teoría de la relatividad especial Ahora nos concentraremos en la primera de las teorías de la relatividad, es decir la especial.

En primer lugar tenemos que saber que la idea fundamental de esta teoría es la no existencia de la condición de movimiento o reposo absoluto. Solo existe el movimiento relativo entre cuerpos y el estado de reposo de un cuerpo será relativo a otro cuerpo. Este es el motivo por el cual la teoría adopta el nombre de Relatividad.

¿Qué significa la condición de movimiento absoluto? seria aquel que puede determinarse y medirse sin ninguna referencia localizada fuera del objeto en movimiento. No existen marcas fijas en el espacio contra las cuales pudieran observarse los estados de movimiento de los cuerpos. Pensemos ¿cómo nos damos cuenta nosotros viajando en un auto a velocidad constante, es decir sin acelerar ni frenar, que estamos en movimiento?  Alguna vez podremos haber tenido la experiencia de estar en un vagón de tren detenido en el andén, y de repente si vemos otro tren en el andén contiguo que se mueve en dirección contraria al nuestro, nos da la sensación que somos nosotros los que nos movemos. ¿Por qué? Porque simplemente es cierto, nos movemos relativamente al otro tren, lo cual no indica que nos estemos moviendo respecto del andén donde estamos estacionados.

La condición de movimiento está íntimamente conectada con el tiempo. Es así que otra idea fundamental de esta teoría de Einstein será que el tiempo absoluto no existe.

Ya dijimos que la velocidad a la que escuchamos el tic-tac de dos relojes, depende de la velocidad relativa entre ellos. Se comprueba que si sincronizamos dos relojes , y uno queda en tierra mientras que el otro viaja al espacio y vuelve, al llegar, la lectura en este ultimo mostrara que el tiempo transcurrido es menor que la lectura en el reloj de tierra. No solamente esto sino que si hubo una persona viajando, esta habrá envejecido menos que la que quedo en tierra. Claro como antes dijimos, las diferencias son imperceptibles a los sentidos, aunque no en la medición de los relojes que puede hacerse tan precisa como sea necesario.

Un detalle acerca de la personalidad de Einstein. El siempre desconfió de ciertos conceptos establecidos no por la razón sino por una autoridad suprema. Esta actitud le permitió dar un gran salto, animándose a proponer lo que otros no se animaban o simplemente no se cuestionaban para no ser tildados de tontos.

Es así que lo que Einstein trataba de hacer cuando propuso su teoría especial de la relatividad, era encontrar el sentido a un conjunto de propiedades de la naturaleza observadas durante un largo periodo de tiempo. 

La relatividad de la mecánica

§  La Teoría de la Relatividad Especial, que describe adecuadamente el comportamiento clásico de los cuerpos que se mueven a grandes velocidades en un espacio-tiempo plano (no-curvado).

§  La Teoría general de la relatividad, que generaliza la anterior describiendo el movimiento en espacios-tiempo curvados, además de englobar una teoría relativista de la gravitación que generaliza la teoría de la gravitación de Newton.

Existen varias propiedades interesantes de la dinámica relativista, entre ellas:

§  La fuerza y la aceleración no son en general vectores paralelos en una trayectoria curva, ya que la relación entre la aceleración y la fuerza tangenciales es diferente que la que existe entre la aceleración y fuerza normales. Tampoco la razón entre el módulo de la fuerza y el módulo de la aceleración es constante, ya que en ella aparece el inverso del factor de Lorentz, que es decreciente con la velocidad llegando a ser nulo a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.

§  El intervalo de tiempo medido por diferentes observadores en movimiento relativo no coincide, por lo que no existe un tiempo absoluto, y no puede establecerse un presente común a todos los observadores, aunque se mantienen relaciones de causalidad estrictas.

§  Otro hecho interesante de la mecánica relativista es que elimina la acción a distancia. Las fuerzas que experimenta una partícula en el campo gravitatorio o electromagnético provocado por otras partículas depende de la posición de las partículas en un instante anterior, siendo el "retraso" en la influencia que ejercen unas partículas sobre otras del orden de la distancia dividida entre la velocidad de la luz:

Sin embargo, a pesar de todas estas diferencias la mecánica relativista es mucho más similar a la mecánica clásica desde un punto de vista formal, que la mecánica cuántica. La mecánica relativista sigue siendo una teoría estrictamente determinista

En la teoría especial de la relatividad, el factor de Lorentz es un término que aparece frecuentemente en las ecuaciones de la teoría, por lo que se suele dar un nombre propio γ lo cual permite escribir más brevemente las ecuaciones y las fórmulas de la teoría. Aparece en los cálculos de dilatación del tiempo, contracción de longitud, o en las expresiones relativistas de la energía cinética y el momento lineal. Debe su nombre a la presencia del factor por primera vez en los trabajos de Lorentz sobre electrodinámica clásica.

La relatividad de la electricidad y el magnetismo

La electricidad es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas, estáticas o en movimiento, y por su interacción. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce también fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de carga eléctrica, llamadas positiva y negativa.
La electricidad está presente en algunas partículas subatómicas. La partícula fundamental más ligera que lleva carga eléctrica es el electrón, que transporta una unidad de carga. Los átomos, en circunstancias normales, contienen electrones, y a menudo los que están más alejados del núcleo se desprenden con mucha facilidad. En algunas sustancias, como los metales, proliferan los electrones libres. De esta manera, un cuerpo queda cargado eléctricamente gracias a la reordenación de los electrones.
Un átomo normal tiene cantidades iguales de carga eléctrica positiva y negativa; por lo tanto, es eléctricamente neutro. La cantidad de carga eléctrica transportada por todos los electrones del átomo, que por convención es negativa, está equilibrada por la carga positiva, localizada en el núcleo. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones quedará cargado negativamente. Por lo contrario, con la ausencia de electrones, un cuerpo queda cargado positivamente, debido a que la mayor cantidad de electrones se encuentran en el núcleo

En física, el magnetismo es un fenómeno por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión a otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro y sus aleaciones que comúnmente se llaman (imanes). Sin embargo todos los materiales son influenciados, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.
También el magnetismo tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la onda electromagnética, como  la luz.

Electromagnetismo

Como consecuencia de la teoría de la relatividad especial de Einstein, la electricidad y el magnetismo estaban comprendidos como vinculantes. Tanto el magnetismo sin la electricidad como la electricidad sin magnetismo serían inconsistentes con la nueva teoría por los efectos como la contracción de la longitud, la dilatación del tiempo y la dependencia de la velocidad en el campo magnético. Sin embargo cuando ambas fueron tomadas en cuenta, la reciente teoría del electromagnetismo fue totalmente consistente con la relatividad .En particular, un fenómeno que parece como eléctrico para un observador puede parecer magnético para otro, o más generalmente las contribuciones generales de la electricidad y el magnetismo son dependientes del marco de referencia.
Entonces, la "mezcla" de la relatividad especial entre electricidad y magnetismo en una sola dio un fenómeno inseparable llamado electromagnetismo (análogo a lo que la misma teoría "mezclo" al tiempo con el espacio en el espacio-tiempo).

El descubrimiento de la luz como fenómeno electromagnético.

Originalmente, la electricidad y el magnetismo eran considerados como dos fuerzas separadas. Este punto de vista ha cambiado, sin embargo, con la publicación de James Clerk Maxwells 1873 Tratado sobre Electricidad y Magnetismo en el que las interacciones de cargas positivas y negativas, se mostró a ser regulada por una sola fuerza. Hay cuatro principales efectos derivados de estas interacciones, todos los cuales han sido claramente demostrado por los experimentos:

1. Las cargas eléctricas atraen o se repelen entre sí con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos: cargas diferentes se atraen, al igual que los repelen.

2. Los polos magnéticos (o los estados de polarización en los puntos individuales) se atraen o se repelen entre sí de una manera similar y siempre vienen en pares: cada polo norte está unido a un polo sur.

3. Una corriente eléctrica en un cable crea un campo magnético circular alrededor del alambre en su dirección en función de la corriente.

4. Una corriente se induce en un aro de alambre cuando se mueve hacia o lejos de un campo magnético, o un imán se mueve hacia o lejos de ella, la dirección de la corriente en función de la del movimiento.

Mientras se preparaba para una conferencia por la noche el 21 de abril de 1820, Hans Christian Oersted hizo una observación sorprendente. Como fue la creación de sus materiales, se dio cuenta de una aguja de la brújula desviado de norte magnético cuando la corriente eléctrica de la batería que estaba usando se enciende y se apaga. Este desvío lo convenció de que los campos magnéticos se irradian desde todos los lados de un alambre que lleva una corriente eléctrica, como la luz y el calor,  lo que confirma una relación directa entre la electricidad y el magnetismo.

En el momento del descubrimiento, Oersted no sugiere una explicación satisfactoria del fenómeno, ni tampoco tratar de representar el fenómeno en un marco matemático. Sin embargo, tres meses más tarde comenzó las investigaciones más intensivas. Poco después publicó sus conclusiones, lo que demuestra que una corriente eléctrica produce un campo magnético a medida que fluye a través de un cable. La CGS unidad de inducción magnética (Oersted) Es el nombre en honor a sus contribuciones al campo del electromagnetismo.

Sus hallazgos como resultado de una intensa actividad en toda la comunidad científica en electrodinámica. Influyeron físico francés André-Marie Ampère’S la evolución de una forma matemática única para representar a las fuerzas magnéticas entre conductores de corriente. Oersted descubrimiento también representa un paso importante hacia un concepto unificado de la energía.

Esta unificación, que fue observado por Michael Faraday, Prorrogado por la James Clerk Maxwell, Y parcialmente reformulada por Oliver Heaviside y Heinrich Hertz, Es uno de los principales logros del siglo 19 la física matemática. Esto tuvo consecuencias de largo alcance, uno de los cuales fue la comprensión de la naturaleza de la luz. Luz y otros las ondas electromagnéticas adoptar la forma de cuantiada, Auto-multiplicación oscilatorio perturbaciones electromagnéticas campo llamado fotones. Diferentes frecuencias de la oscilación dar lugar a las diferentes formas de la radiación electromagnética, A partir de las ondas de radio en las frecuencias más bajas, a la luz visible en las frecuencias intermedias, a los rayos gamma en las frecuencias más altas.