Mecánica Avanzada y Física Térmica

Movimiento circular

El movimiento seguido por un objeto cuya distancia a un determinado punto llamado centro es constante se denomina movimiento circular. Es un movimiento periódico porque el cuerpo acabará volviendo a la posición que ocupaba anteriormente. Normalmente, nos interesan los cuerpos que se mueven en círculos a una velocidad uniforme, lo que da lugar a una periodicidad temporal.

Oscilador armónico

Mientras que el movimiento circular no es necesariamente periódico (aunque suele serlo), los osciladores armónicos se definen precisamente por su comportamiento periódico. Son sistemas que oscilan con un cierto periodo en torno a una posición estable.

El mejor ejemplo de oscilador armónico es un péndulo terrestre sin resistencia del aire. La posición de estabilidad es la cuerda del péndulo en posición vertical. Si se mueve de esa posición, el péndulo oscilará de un lado a otro.

Hay muchas caracterizaciones y magnitudes que podemos asignar a estos sistemas. En este caso, lo que hay que señalar es que los cuerpos que siguen un movimiento de este tipo tienen una energía que se caracteriza por dos factores principales: la amplitud del movimiento (lo lejos que lo alejan sus oscilaciones de la posición de estabilidad) y la frecuencia de la oscilación (la tasa de oscilaciones completadas por unidad de tiempo).

Como última característica relevante del movimiento armónico, vamos a definir el concepto de resonancia. Resulta que distintos movimientos armónicos interfieren entre sí. Una descripción matemática revela que se "suman" y pueden neutralizarse mutuamente, dar un resultado mixto, o interferir constructivamente para amplificar las oscilaciones.

Cuando se produce una interferencia constructiva, la amplificación puede ser notable y maximizar la transferencia de energía entre las oscilaciones armónicas. Este fenómeno de transferencia óptima de energía se denomina resonancia. Una radio constituye un ejemplo cotidiano de ello: las ondas de radio se transmiten por todo el mundo. Aunque no podamos oírlas, nuestras radios son aparatos en los que se sintonizan otras ondas para interferir constructivamente con estas ondas de radio, amplificando así su energía y generando un sonido.

¿Qué es la física térmica?

La física térmica es el estudio de los procesos físicos que implican cambios de temperatura. Aquí vamos a ver algunos de sus aspectos fenomenológicos y fundamentales.

Aspectos fenomenológicos de la física térmica

Los aspectos fenomenológicos de la física térmica incluyen distintas leyes y procesos propuestos como parte de teorías basadas únicamente en la realización de experimentos. Dos ejemplos son los experimentos de transferencia de energía térmica y los gases ideales.

La transferenciade energía térmica es el proceso por el que cuerpos con temperaturas diferentes se transfieren su energía de uno a otro, cambiando así sus temperaturas. En los experimentos de transferencia de energía térmica se estudian ampliamente los siguientes aspectos

• La capacidad caloríficaespecífica, que se refiere a la cantidad de calor (energía térmica) necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de una determinada sustancia en 1 grado Celsius. La capacidad calorífica específica es una propiedad específica en el sentido de que es diferente para cada sustancia.
• Elcalor latente, que es el calor necesario para cambiar de fase 1 kg de una sustancia. Por cambio de fase se entiende el proceso por el que las sustancias cambian entre sus estados gaseoso, líquido y sólido. En este proceso, la temperatura no cambia (el agua hirviendo, por ejemplo, permanece a 100ºC hasta que se vaporiza completamente), por lo que la caracterización no incluye un cambio de temperatura.

Los gasesideales son gases que existen en determinadas condiciones y siguen leyes muy sencillas, aunque varían en algunas de sus propiedades (para conocer algunas de sus características básicas, consulta el apartado "Aspectos fundamentales"). Tres procesos en los que intervienen gases ideales y que tienen que ver con su temperatura son los siguientes:

• Cuando una cierta cantidad de un gas ideal se mantiene a temperatura constante, los cambios de presión son inversamente proporcionales a los cambios de volumen. Esto se conoce como ley de Boyle.
• Cuando una determinada cantidad de un gas ideal se mantiene a presión constante, los cambios de temperatura son directamente proporcionales a los cambios de volumen. Esto se conoce como ley de Charle.
• Cuando cierta cantidad de un gas ideal se mantiene a volumen constante, los cambios de presión son directamente proporcionales a los cambios de temperatura. Esto se conoce como ley de Gay-Lussac.

Aspectos fundamentales de la física térmica

Esto nos lleva a la teoría cinética molecular, que extrae propiedades globales de las sustancias, especialmente de los gases, como efectos colectivos de las moléculas que forman la sustancia.

En general, las moléculas de una sustancia líquida siguen un movimiento browniano, que es el término utilizado para un movimiento aleatorio causado por la influencia de un gran número de otras partículas que interactúan con las moléculas de la sustancia.

En una hipótesis simplificadora, se supone que las partículas de una sustancia son puntuales, están en movimiento constante (no en estado sólido) y tienen colisiones elásticas (sin pérdida de energía ni de momento). Estas condiciones forman parte de lo que se conoce como teoría cinética molecular y comprenden la definición de gases ideales.

No obstante, tanto si adoptamos una descripción simplificada como si estudiamos una sustancia sin ninguna suposición, siempre podemos extraer conclusiones estadísticas del comportamiento de todas las partículas que forman la sustancia. Por ejemplo, la temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas: cuanto mayor sea la temperatura, más rápido se moverán las partículas por término medio.

Otro ejemplo relevante de propiedad estadística es la presión. Esencialmente, es la fuerza media por unidad de superficie que ejercen las partículas sobre la región en la que están contenidas.

Las leyes de los gases ideales pueden deducirse teniendo en cuenta los supuestos que hemos mencionado y aplicando las leyes del movimiento de Newton a nivel microscópico, lo que da lugar a magnitudes medias (presión, temperatura) y relaciones entre ellas.

_xi : _x1, _x2, _x3, ...

xi_: el valor x inicial