¿Cuál es el funcionamiento de la lámpara giratoria?
Para poder saber precisamente su funcionamiento, necesitamos primero saber conceptos de sus propiedades como el calor, energía, trabajo, al igual de las leyes que lo acompañan, como la ley de la termodinámica. A continuación te mostramos estos conceptos
Definiciones
a. Trabajo
El trabajo es una magnitud escalar producida sólo cuando una fuerza mueve un cuerpo en la misma dirección en que se aplica.
El trabajo mecánico es la magnitud física que se obtiene como resultado del producto escalar de dos vectores: fuerza (F) y desplazamiento (d) .
b. Energía
La energía es una propiedad que caracteriza la interacción de los componentes de un sistema físico que tienen la capacidad de realizar un trabajo. Es importante señalar que la energía se manifiesta de diferentes formas, sin embargo, un cuerpo tiene energía si es capaz de interaccionar con el sistema del cual forma parte para realizar un trabajo.
Hay diferentes tipos de energía:
- Energía calorífica
- Energía cinética
- Energía potencial elástica
- Energía eléctrica
- Energía química
- Energía radiante
- Energía nuclear
- Energía hidráulica
- Energía mecánica
- Energía eólica
c. Calor:
En el siglo XVII los físicos lo consideraban un fluido invisible sin sabor, olor ni peso; lo llamaban calórico y de él sólo conocían sus efectos: cuanto más caliente estaba un objeto, más fluido o calórico tenía. Actualmente, se interpreta el calor como una energía en tránsito que fluye de objetos a mayor temperatura a los de menor temperatura.
También se denomina calor a la transferencia de energía de una parte a otra de un objeto o entre distintos objetos que se encuentran a diferente temperatura. El calor es energía en tránsito y siempre fluye de objetos de mayor temperatura a los de menor temperatura que se encuentren en contacto térmico. El calor no fluye desde un objeto de temperatura menor a otro de temperatura mayor a menos que se realice un trabajo, como en el caso de un refrigerador.
b. Equilibrio térmico
Cuando un sistema de baja temperatura se pone en contacto por medio de una pared diatérmica con otro sistema de mayor temperatura, la temperatura del sistema frío aumenta mientras la temperatura del sistema caliente disminuye. Si se mantiene este contacto por un periodo largo, se establecerá el equilibrio termodinámico, es decir, ambos sistemas tendrán la misma temperatura. Es evidente que si los sistemas están formados por diferentes sustancias o diferentes porciones de ellas, no contienen la misma cantidad de energía interna aunque su temperatura sea igual. Cuando la temperatura de un cuerpo caliente empieza a descender, las moléculas reducen el número total e intensidad de sus procesos de movimiento.
Otro concepto que también nos da Pérez Montiel, H. (2016) es el siguiente: cuando diversas partes de un mismo objeto, o varios objetos en contacto, están más calientes unos que otros, todos tenderán a alcanzar la misma temperatura para llegar a un equilibrio térmico.
C. Temperatura
La temperatura es una magnitud física que indica qué tan caliente o fría está una sustancia y se mide con un termómetro. Contribuye a describir el estado de un sistema, a conocer su valor y el de otros parámetros, por ejemplo, la presión o el volumen, se puede tener una valiosa información para predecir los cambios que se producirán en un sistema cuando interacciona con otro.
La temperatura de un objeto o un sistema es una propiedad intensiva, ya que no depende de la cantidad de materia ni de su naturaleza, sino del ambiente en el que se encuentren. Sin embargo, la temperatura sí depende del estado de agitación o movimiento desordenado de las moléculas, o sea, del valor de la energía cinética media o promedio de las moléculas del objeto o del sistema.
d. Termodinámica
La termodinámica es la rama de la física que se encarga del estudio de la transformación del calor en trabajo y viceversa. Su estudio se inició en el siglo XVII y sus principios se fundamentan en fenómenos comprobados experimentalmente.
Un proceso térmico es adiabático si el sistema no cede ni recibe calor, por lo que se realiza a calor constante. Para ello se utilizan fronteras hechas con paredes adiabáticas.
Un proceso térmico es no adiabático cuando el sistema interacciona térmicamente con los alrededores, el calor fluye a través de las paredes diatérmicas que constituyen la frontera y se produce un cambio tanto en los alrededores con en el sistema mismo. Durante los procesos térmicos no adiabáticos un sistema absorbe o cede calor. La cantidad de calor depende de la sustancia y del proceso del que se trate.
Primera ley termodinámica
Esta ley, aplicada al calor, da como resultado el enunciado de la primera ley de la termodinámica que dice: la variación en la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Matemáticamente, la primera ley de la termodinámica se expresa como: AU:Q—W
donde:
AU: variación de la energía interna del sistema expresada en calorías (cal) o joules (J)
Q : calor que entra o sale del sistema medido en calorías (cal) o joules (J)
W:trabajo efectuado por el sistema o trabajo realizado sobre este expresado en calorías
El valor de Q es positivo cuando entra calor al sistema y negativo si sale de él. El valor de W es positivo si el sistema realiza trabajo y negativo si se efectúa trabajo de los alrededores sobre el sistema. Así pues, si un sistema recibe cierta cantidad de calor Q y realiza un trabajo W sobre los alrededores, el cambio en su energía interna sera, como ya señalamos, igual a: AU:Q—W
Segunda ley termodinámica
La energía calorífica no fluye en forma espontánea de un sistema frío a otro caliente. Sólo cuando se tienen dos sistemas con diferentes temperaturas se puede utilizar la energía calorífica para producir trabajo. El calor fluye espontáneamente del sistema caliente al frío hasta que se igualan las temperaturas. Durante este proceso, parte del calor se puede transformar en energía mecánica a fin de efectuar un trabajo, pero no todo el calor puede ser convertido en trabajo mecánico.
La primera ley de la termodinámica, como ya señalamos, estudia la transformación de la energía mecánica en calorífica y la del calor en trabajo, sin imponer ninguna restricción en estos cambios. Sin embargo, la segunda ley de la termodinámica señala restricciones al decir que existe un limite en la cantidad de trabajo, el cual es posible obtener a partir de un sistema caliente. Existen dos enunciados que definen la segunda ley de la termodinámica, uno del físico alemán Rudolph J. E. Cel- sius: el calor no puede por sí mismo, sin la intervención de un agente externo, pasar de un cuerpo frío a un cuerpo ca- lientet Y otro del físico inglés William Thomson Kelvin: es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le suministra.
Las leyes de la termodinámica son verdades universales, establecidas después de haberse realizado numerosos experimentos tanto cualitativos como cuantitativos.
La primera ley, conocida como ley de la conservación de la energía, afirma que la energía existente en el Universo es una cantidad constante. Esta ley se confirma cuando Albert Einstein nos demuestra la relación entre materia y energía. La segunda ley tiene aplicaciones importantes en el diseño de máquinas térmicas empleadas en la transformación de calor en trabajo. También es útil para interpretar el origen del Universo, pues explica los cambios energéticos que ha tenido y tendrá en un futuro. Predice que dentro de billones de años se producirá la llamada muer- te térmica del Universo, la cual ocurrirá cuando toda la energía del Universo se reduzca a la de las moléculas en movimiento y toda la materia tenga la misma temperatura. Al no existir diferencias de temperatura, tampoco se producirá intercambio de calor entre los cuerpos y los seres vivos se extinguirán.
Entropía y tercera ley de la termodinámica
La entropía es una magnitud física utilizada por la termo- dinámica para medir el grado de desorden molecular de la material. En un sistema determinado, la entropía o estado de desorden dependerá de su energía interna y de cómo se encuentren distribuidas sus moléculas. Como en el estado sólido las moléculas están muy próximas unas de otras y se encuentran en una distribución bastante ordenada, su entropía es menor si se compara con la del estado líquido, y en éste menor que en el estado gaseoso. Cuando un líquido es calentado las moléculas aumentan su movimiento y con ello su desorden, por tanto, al evaporarse se incrementa considerablemente su entropía.
En general, la naturaleza tiende a aumentar su entropía, es decir, su desorden molecular. Como resultado de sus investigaciones, el físico y químico alemán Walther Nernst estableció otro principio fundamental de la termodinámica llamado tercera ley de la termodinámica; dicho principio se refiere a la entropía de las sustancias cristalinas y puras en el cero absoluto de temperatura (O K), y se enuncia de la siguiente manera: la entropía de un sólido cristalino puro y perfecto puede tomarse como cero a la temperatura del cero absoluto. Por tanto, un cristal perfectamente ordenado a O K tendrá un valor de entropía igual a cero. Cualquier incremento de la temperatura, por encima de O K, causa una alteración en el arreglo de las moléculas componentes de la red cristalina, aumentando así el valor de la entropía.
Transferencia de Calor
Cuando dos objetos se ponen en contacto y no manifiestan ninguna tendencia a calentarse o enfriarse es porque la energía cinética media o promedio de cada una de sus moléculas es igual y por tanto están a la misma temperatura. Sin embargo, cuando diversas partes de un mismo objeto, o varios objetos en contacto, están más calientes unos que otros, todos tenderán a alcanzar la misma temperatura para llegar a un equilibrio térmico. El calor o energía calorífica siempre se transmitirá de un objeto de mayor temperatura a uno de menor temperatura.
Referencias bibliográficas:
Figueroa, M. (2010). Física. Miami, FL, United States of America: Firmas Press. Recuperado de https://elibro.net/es/ereader/ulsaoaxaca/36340?page=70
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