Las teorías propuestas por los científicos para explicar la naturaleza de la luz han ido cambiando a lo largo de la historia de la ciencia, a medida que se van descubriendo nuevas evidencias que permiten interpretar su comportamiento, como corpúsculo, onda, radiación electromagnética, cuanto o como la mecánica cuántica.
Teoría Corpuscular
Esta teoría fue planteada en el siglo xvii por el físico inglés Isaac Newton, quien señalaba que laluz consistía en un flujo de pequeñisimas partículas o corpúsculos sin masa, emitidos por las fuentes luminosas, que se movía en línea recta con gran rapidez. Gracias a esto, eran capaces de atravesar los cuerpos transparentes, lo que nos permitía ver a través de ellos. En cambio, en los cuerpos opacos, los cospúsculos rebotaban, por lo cual no podíamos observar los que había detrás de ellos.
Esta teoría explicaba con éxito la propagación rectilínea de la luz, la refracción y la reflexión, pero no los anillos de Newton, las interferencias y la difracción. Además, experiencias realizadas posteriormente permitieron demostrar que esta teoría no aclaraba en su totalidad la naturaleza de la luz
Teoría Ondulatoria
Fue el científico holandes Christian Huygens, contemporáneo de Newton, quien elaboraría una teoría diferente para explicar la naturaleza y el comportamiento de la luz. Esta teoría postula que la luz emitida por una fuente estaba formada por ondas, que correspondían al movimiento específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío en un medio insustancial e invisible llamado éter. Además, índica que la rapidez de la luz disminuye al penetrar al agua. Con ello, explica y descrbía la refracción y las leyes de la reflexión.
En sus inicios, esta teoría no fue considerada debido al prestigio de Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta: se le sometió a pruebas a través de los trabajos del médico inglés Thomas Young, sobre las interferencias luminosas, y el físico francés Augeste Jean Fresnel, sobre la difracción. Como consecuencia, quedó de manifiesto que su poder explicativo era mayor que el de la teoría corpuscular.
Teoría Electromagnética
En el siglo XIX, se agregan a las teoráis existentes de la época las ideas del físico James Clerk Maxwell, quien explica notablemente que los fenómenos eléctricos están relacionados con los fenómenos magnéticos. Al respecto, señala que cada variación en el campo eléctrico origina un cambio en la proximidad del campo magnético e, inversamente. Por lo tanto, la luz es una onda electromagnética trasversal que se propaga perpendicular entre sí.
Teoría de los Cuantos
Esta teoría propuesta por el físico alemán Max Planck establece que los intercambios de energía entre la materia y la luz solo son posibles por cantidades finitas o cuántos de luz, que posteriormente se denominan fotones. La teoría tropieza con el inconveniente de no poder explicar los fenómenos de tipo ondulatorio, como son las interferencias, las difracciones, entre otros.
Posteriormente, Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico por medio de los corpúsculos de luz, a los que llamó fotones. Con esto propuso que la luz se comporta como onda en determinadas condiciones.
Mecánica Ondulatoria
Esta teoría reúne tanto la teoría electromagnética como la de los cuantos heredadas de la teoría corpuscular y ondulatoria, con lo que se evidencia la doble naturaleza de la luz. El que esta se comporte como onda y partícula fue corroborado por el físico francés Luis de Broglie, en el año 1924, quién agregó, además, que los fotones tenían un movimiento ondulatorio, o sea aunque la luz tenia un comportamiento dual. Así, la luz, en cuanto a su propagación, se comporta como onda, pero su energía es trasportada junto con la onda luminosa por unos pequeños corpúsculos que se denominan fotones.
La luz es una manifestación de energía. Gracias a ella las imágenes pueden ser reflejadas en un espejo, en la superficie del agua o un piso muy brillante. Esto se debe a un fenómeno llamado reflexión de la luz. La reflexión ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente
La reflexión es el cambio de dirección de una onda, que al estar en contacto con la superficie de separación entre dos medios cambiantes, regresa al punto donde se originó. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.
Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado.
También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.
El sentido del tacto nos permite determinar dentro de ciertos límites los distintos estados térmicos que pueden tener los cuerpos. Así decimos en forma imprecisa que algo está frío o caliente.
La temperatura se determina de forma estricta a través del termómetro, este nos indica el estado térmico de un cuerpo, mediante un numero arbitrario i no, que dará cuenta de ese estado .
Los termómetros constan de una sustancia que se dilata ante las variaciones de temperatura, generalmente se utiliza mercurio como sustancia termométrica. La magnitud de su dilatación nos dará una medida del estado térmico del cuerpo.
El termometro está constituido por un bulbo de vidrio que contiene el mercurio, unido a un capilar también de vidrio, que tiene la escala de grados centígrados graduada. Al dilatarse el mercurio asciende por el capilar.
Las escalas termométricas son: Celsius, Kelvin, Reamur y Fahrenheit. LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía y la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo. La ley cero de la termodinámica establece que si dos sistemas, Ay B, están en equilibrio termodinámico, y B está a su vez en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C se encuentran en equilibrio termodinámico. Este principio fundamental se enunció formalmente luego de haberse enunciado las otras tres leyes de la termodinámica, por eso se la llamó “ley cero”. La primera ley de la termodinámica, también conocida como ley de la conservación de la energía enuncia que la energía es indestructible, siempre que desaparece una clase de energía aparece otra (Julius von Mayer).
La primera ley de la termodinámica establece que al variar la energía interna en un sistema cerrado, se produce calor y un trabajo. “La energía no se pierde, sino que se transforma”. La segunda ley de la termodinámica indica la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja. En esta ley aparece el concepto de entropía, la cual se define como la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo.
Esto es más fácil de entender con el ejemplo de una máquina térmica:
Una fuente de calor es usada para calentar una sustancia de trabajo (vapor de agua), provocando la expansión de la misma colocada dentro de un pistón a través de una válvula. La expansión mueve el pistón, y por un mecanismo de acoplamiento adecuado,se obtiene trabajo mecánico. El trabajo se da por la diferencia entre el calor final y el inicial. Es imposible la existencia de una máquina térmica que extraiga calor de una fuente y lo convierta totalmente en trabajo, sin enviar nada a la fuente fría.
La entropía de un sistema es también un grado de desorden del mismo. La segunda ley establece que en los procesos espontáneos la entropía, a la larga, tiende a aumentar. Los sistemas ordenados se desordenan espontáneamente. Si se quiere restituir el orden original, hay que realizar un trabajo sobre el sistema.
La tercera de las leyes de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos, ya que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. A medida que el sistema se acerca al cero absoluto, el intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya que el flujo espontáneo de calor es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a los de temperatura más baja (Segunda ley), sería necesario un cuerpo con menor temperatura que el cero absoluto; y esto es imposible.
Trabajo Práctico a entregar:
En el siguiente informe se desarrollará y se explicarán las cuatro principales leyes de la
termodinámica, mediante una serie de demostraciones y experimentos sencillos
realizados en el laboratorio, utilizando elementos accesibles y procedimientos simples
que se pueden efectuar en cualquier aula.
Las leyes de la termodinámica que se desarrollarán serán:
- Ley cero de la termodinámica o principio del equilibrio termodinámico.
- Primera ley de la termodinámica o principio de la conservación de la energía.
- Segunda ley de la termodinámica.
- Tercera ley de la termodinámica.
OBJETIVOS
El objetivo principal del trabajo es alcanzar la comprensión de algún tema de física de
los que se enseñan en el secundario (en este caso las leyes de la termodinámica),
mediante el desarrollo, la construcción y la prueba de un experimento simple realizable
en el aula con elementos cotidianos, que permita estudiarlo y entenderlo.
MATERIALES EMPLEADOS
Para la realización de este experimento son necesarios los siguientes elementos:
- Vaso de precipitado
- Termómetro que alcance una temperatura mayor a los 100ºC (por lo menos uno).
- Agua fría (7ºC-10ºC), agua tibia (28ºC-30ºC) y agua caliente (100ºC).
- Colorante (se pueden utilizar colorantes artificiales o tinta).
- Cubetera (de las utilizadas para hacer hielo en el freezer o congelador).
- Reloj o cronómetro.
Preguntas de ayuda:
¿Que ocurrió con el colorante del hielo cuando el agua (sistema A) establece contacto con el hielo (sistema B)?¿Ambos intentan llegar a un equilibrio termodinámico?. A su vez, estos dos sistemas buscan el equilibrio
termodinámico con que otro sistema? ¿Cual es ese sistema? ¿Se alcanza el equilibrio? Justificar.
¿Aparece la segunda ley de termodinámica en este caso?
¿Que ocurrió con el colorante del hielo cuando se sumergió en el agua, aumento su T° ( 30°-40°)?
La última parte del experimento fue también la más gráfica, ya que el intercambio de calor fue más brusco, el colorante descendió en forma de flujo turbulento por el costado del vaso y se difundió más rápidamente.
