MOVIMIENTO ONDULATORIO

Una onda es una perturbación que se propaga. Las ondas materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico para propagarse. El medio elástico se deforma y recupera vibrando al paso de la onda.

La perturbación comunica una agitación a la primera partícula del medio en que impacta (este es el foco de las ondas) y en esa partícula se inicia la onda. La perturbación se transmite en todas las direcciones por las que se extiende el medio con una velocidad constante (siempre que el medio sea isótropo).

Una onda transporta energía pero no transporta materia: las partículas vibran alrededor de la posición de equilibrio pero no viajan con la perturbación.

Veamos algún ejemplo:

·                     La onda que transmite un látigo lleva una energía que se descarga en su punta al golpear. Las partículas del látigo vibran, pero no se desplazan con la onda.

·                     Un corcho en la superficie del agua vibra verticalmente al paso de las olas  pero no se traslada horizontalmente, eso indica que las partículas de agua vibran pero no se trasladan.

Las ondas se dividen en materiales o mecánicas y electromagnéticas, la diferencia principal es que las ondas mecánicas necesitan un medio para propagarse mientras las ondas electromagnéticas, como la luz, pueden viajar por el vacío.

ONDAS MECÁNICAS

 Una onda mecánica es una perturbación de las propiedades mecánicas de un medio material (posición, velocidad y energía de sus átomos o moléculas) que se propaga en el medio.

Todas las ondas mecánicas requieren:

1.           Alguna fuente que cree la perturbación.

1.           Un medio en el que se propague la perturbación.

1.           Algún medio físico a través del cual elementos del medio puedan influir uno al otro.

El sonido es el ejemplo más conocido de onda mecánica, que en los fluidos se propaga como onda longitudinal de presión. Los terremotos, sin embargo, se modelizan como ondas elásticas que se propagan por el terreno.

En ellas se propaga energía mecánica, y, para propagarse,  necesitan de un medio material que puede ser gaseoso (aire), líquido (agua) o sólido (cuerdas, resortes, suelo, pared).  Por ejemplo: el sonido, una onda en la tierra (onda sísmica), onda en el agua (ola), onda en una cuerda (guitarra).

   

                                                             

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

En ellas se propaga energía electromagnética, no necesitan de un medio material para propagarse. Por ejemplo: luz visible, rayos X, rayos infrarrojos, rayos ultravioletas, ondas de radio, microondas, entre otros.

En estas últimas, lo que vibra no son partículas materiales sino campos eléctricos y magnéticos, en consecuencia, pueden propagarse en el vacío. Así se explica que lleguen a la superficie terrestre la luz y otras radiaciones no visibles provenientes del Sol, las estrellas y otras galaxias muy lejanas.

Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio, y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. 

A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse. 

Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas cuya frecuencia está dentro del rango de la luz visible.

OTROS EJEMPLOS: Ondas sísmicas, el sonido, de la luz, de radio, rayos infrarojos, ultravioleta, rayos x y todo lo que se refiera al espectro electromgnético. 

ONDAS TRANSVERSALES

Supón que produces una onda en una cuerda agitando el extremo libre hacia arriba y hacia abajo. En este caso el movimiento de la cuerda es perpendicular a la dirección del movimiento de la onda. Cuando el movimiento del medio (en este caso, la cuerda) es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda, decimos que se trata de una onda transversal.

Las ondas que se producen en las cuerdas tensas de los instrumentos musicales y en las superficies de los líquidos son transversales.

También las ondas electromagnéticas que constituyen las ondas de radio y la luz son transversales.

                                                                  Onda transversal

Transversales: Una onda transversal es una onda en movimiento que se caracteriza porque sus oscilaciones ocurren perpendiculares a la dirección de propagación. Si una onda transversal se mueve en el plano x-positivo, sus oscilaciones van en dirección arriba y abajo que están en el plano y-z.

PARTES DE LA ONDA TRANSVERSAL

ONDAS LONGITUDINALES

No todas las ondas son transversales. En ciertos casos las partículas del medio se mueven de un lado a otro en la misma dirección en la que se propaga la onda. Las partículas se mueven a lo largo de la dirección de la onda en vez de hacerlo en sentido perpendicular. Una onda de este tipo es una onda longitudinal.

Las ondas sonoras son ondas longitudinales

En la siguiente animación puedes observar como cada partícula  vibra armónicamente en dirección horizontal y la onda se propaga en dirección horizontal. (ejemplo de onda longitudinal)

Longitudinales: Una onda longitudinal es una onda en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión. Algunos ejemplos de ondas longitudinales son el sonido y las ondas sísmicas de tipo P generadas en un terremoto

ARRIBA: ONDA LONGITUDINAL.

ABAJO: ONDA TRANSVERSAL.

SONIDO

El sonido, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

ELEMENTOS O FACTORES PARA QUE EXISTA SONIDO

Ò  1. Una fuente de vibración mecánica, llamada fuente sonora

Ò  Un medio elástico a través del cual se propague la perturbación, es decir la onda sonora (sonido).

Ò  Dicho medio puede ser el agua (líquidos), el aire (gases), y los metales (sólidos)

Cualidades del

Ò  Tono

Ò  Timbre

Ò  Intensidad

TONO

El tono de un sonido depende únicamente de su frecuencia, es decir, del número de oscilaciones por segundo. la altura de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más grave o más agudo.
CUANTO MAYOR SEA LA FRECUENCIA, MÁS AGUDO SERÁ EL SONIDO. 

INTENCIDAD

La intensidad de un sonido viene determinada por la amplitud del movimiento oscilatorio, subjetivamente, la intensidad de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más o menos fuerte.

TIMBRE

El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y altura.

Tipos De sonido

Ò  Sónicos

Ò  Infra sónicos

Ò  Ultrasónicos

SONIDOS SONICOS

Todos aquellos sonidos que somos capaces de escuchar, se denominan sonidos sónicos
Estos sonidos tienen una frecuencia comprendida en el rango de 20htz a 20000htz (veinte a veinte mil hertz).
En otras palabras, son los sonidos audibles al ser humano. 

INFRASONIDOS

los cuales podemos definirlos como las vibraciones de presión cuya frecuencia es inferior a la que el oído humano puede percibir; es decir entre 0 y 20 Hz

ULTRASONIDOS

son aquellas ondas sonoras cuya frecuencia es superior al margen de audición humano, es decir, 20 Khz (20000 hz). Aproximadamente.

PROCESOS TERMODINÁMICOS

TERMODINÁMICA, significa TERMO- CALOR, DINÁMICA-MOVIMIENTO: entonces podría referirse a el movimiento del calor.

En física, se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

TIPOS DE PROCESOS:

·                     Isotérmico: proceso a temperatura constante.

·                     Isobárico: proceso a presión constante.

·                     Isométrico o isocórico: proceso a volumen constante.

·                     Adiabático : a aquél en el cual el sistema no intercambia calor con su entorno. 

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

PROCESO ISOTÉRMICO

Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de Capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco calórico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.

Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es P•V = constante.

PROCESO ISOTÉRMICO

Proceso isotérmico de un gas

Una expansión isotérmica es un proceso en el cual un gas se expande (o contrae), manteniendo la temperatura constante durante dicho proceso, es decir que T₁ = T₂ para los estados inicial (1) y final (2) del proceso isotérmico.

Recordemos que en un proceso isotérmico, la temperatura se mantiene constante.

La energía interna depende de la temperatura. Por lo tanto, si un gas ideal es sometido a  un proceso isotérmico, la variación de energía interna es igual a cero.

Por lo tanto, la expresión de la  1ª Ley de la Termodinámica 


De tal manera que en un proceso isotérmico el calor entregado al sistema es igual al trabajo realizado por el sistema hacia los alrededores.

Gráficamente el w se puede hallar calculando el área bajo la curva del diagrama P-V.

se convierte en:                                          q = - w

Observen que el trabajo es el área bajo la curva (isoterma)

Proceso Isobárico

Recordemos que en un proceso isobárico, la presión permanece constante.

La mayoría de los cambios físicos y químicos ocurren a presión constante.

Por ejemplo, una reacción química, que se realiza en un sistema abierto, la presión es la presión atmosférica y ésta no varía durante el proceso.

Como hemos visto a presión constante:
 
El calor involucrado en el proceso a P = cte. se denota como q_P.

Aplicando la primera ley:


 

reordenando la expresión, podemos llegar a:

          q_P = (E₂ + PV₂) – (E₁ + PV₁)

Los químicos denominan Entalpía (H) al calor de un sistema  a presión constante,
            
Siendo la Entalpía:

·                          Propiedad extensiva y

·                          Función de estado.

Entonces, en un proceso isobárico la expresión de la Primera Ley de la Termodinámica 

  se puede expresar también como:

                                                                     

El proceso isobárico, en un diagrama PV:

Se puede calcular el trabajo de manera gráfica, ya que él es área bajo la curva. Tengan en cuenta que, si se calcula de manera gráfica, las unidades del trabajo, estarían en atm-L. Normalmente se debe hacer un cambio de unidades a Joule o calorías.

PROCESO ISOCÓRICO

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como:ΔW = PΔV,
donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es:Q = ΔU

Para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía interna, U. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura,Q = nCVΔTdonde CV es el calor específico molar a volumen constante.

En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical.

Ejemplo:

¿Cuándo se incrementa la energía interna de 10 g de hielo que esta a cero grados centígrados cuando se transforma en agua manteniendo el volumen constante?

Como el proceso es isocórico, ya que no cambia el volumen, entonces w=0 y de acuerdo con la primera ley de la termodinámica la cantidad de calor ganado por el hielo es igual al cambio en su energía interna, es decir: Q= ΔU . Ahora bien, el calor de fusión del hielo es Q=mLf. en donde Lf=80cal/g.

sustituimos valores en la relacion anterior:

Q=(10g)(80cal/g)=800cal

por tanto, el cambio en la energía interna es:

ΔU=Q=800cal 4.19J/1cal=3352J

PROCESO ADIABÁTICO

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 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 que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.

El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquél 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

extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que

la temperatura permanezca constante, se denomina como proceso isotérmico.

EJEMPLO DE PROCESO ADIABÁTICO:

Fabricación de nieve artificial por la máquina: La máquina tiene una mezcla de aire comprimido y vapor de agua a 20 atm aproximadamente. Debido a la gran diferencia de presiones entre el tanque y la presión atmosférica, cuando la mezcla se rocía hacia la atmósfera se expande con tanta rapidez que no ocurre intercambio alguno de calor entre el sistema y sus alrededores.

Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno.

PROCESO DIATÉRMICO

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, entre otros, todos en mayor o menor grado permiten la transferencia de calor.

EJEMPLOS DE PROCESOS DIATÉRMICOS:

-La fusión de los cubitos de hielo a temperatura ambiente 

-El calentamiento de alimentos en una cazuela 

-El enfriamiento de loas alimentos 

-La subida de temperatura de un termómetro 

-El enfriamiento de una bañera