Física II

Unidad 1: Fundamentos de termología

Introducción: termómetros, escalas termométricas y termometría.

El termómetro (del griego θερμός (termo) el cuál significa "caliente" y metro, "medir") es un instrumento de medición de temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros electrónicos digitales.

La escala más usada en la mayoría de los países del mundo es la centígrada (°C), también llamada Celsius desde 1948, en honor a Anders Celsius (1701-1744). En esta escala, el cero (0 °C) y los cien (100 °C) grados corresponden respectivamente a los puntos de congelación y de ebullición del agua, ambos a la presión de 1 atmósfera.

Otras escalas termométricas son:

Fahrenheit (°F), propuesta por Daniel Gabriel Fahrenheit, es la unidad de temperatura en el sistema anglosajón de unidades, utilizado principalmente en Estados Unidos. En 1724 Fahrenheit finalizó su escala termométrica, que publicó en la revista Philosophical Transactions (Londres, 33, 78, 1724).
Grado Réaumur (ºR), en desuso. Se debe a René-Antoine Ferchault de Reamur (1683-1757). La relación con la escala celsius es: TReamur=(4/5)*TCelsius
Kelvin (K) o temperatura absoluta, unidad de temperatura del Sistema Internacional de Unidades. Su cero es inalcanzable por definición y equivale a -273,15 °C.

La termometría se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de alcohol, que se basan en la dilatación, los termopares que deben su funcionamiento al cambio de la conductividad eléctrica, los ópticos que detectan la variación de la intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo caliente. Para poder construir el termómetro se utiliza el Principio cero de la termodinámica, que dice: "Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí".

Cantidad de calor y calorimetría. Equivalente mecánico del calor.
Transformaciones en gases: Leyes básicas. Representación en diagramas P-V.
Trabajo en las transformaciones notables.

Unidad 2: Los principios de la termodinámica

Primer principio, su formulación matemática, aplicaciones a las transformaciones en gases.

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica — en realidad el primer principio dice más que una ley de conservación—, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: Eentra − Esale = ΔEsistema Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma: ΔU = Q − W Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Segundo principio, formas de enunciarlo y corolarios.

Esta ley arrebata la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero. Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico. La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido. Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.

Enunciado de Clausius

En palabras de Sears es: "No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada".

Enunciado de Kelvin

No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente (E.absorbida), y lo convierta íntegramente en trabajo (E.útil).

Enunciado de Kelvin - Planck

Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de trabajo.

Otra interpretación

Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo, siempre será menor a la unidad, y ésta estará más próxima a la unidad, cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

El ciclo de Carnot, rendimiento. Ciclo invertido, eficiencia. Entropía.

Unidad 3: Electrostática y campos eléctricos

La Carga Eléctrica: Ley de Coulomb, unidades.
Campo eléctrico: definición y representación. Campo de una carga puntual y varias cargas puntuales. Integral de Gauss: aplicaciones a diversas distribuciones de cargas.

Unidad 4: El potencial eléctrico

Trabajo en el campo electrostático; diferencia de potencial y potencial eléctrico de una y varias cargas.
Cálculo del potencial a partir del campo eléctrico, ejemplo y aplicaciones.
Cálculo del campo a partir del potencial: gradiente de potencial, aplicaciones.

Unidad 5: Propiedades eléctricas de la materia y la capacidad eléctrica

Los aislantes eléctricos o dieléctricos: descripción atómica. Constante dieléctrica, susceptibilidad y permitividad.
Capacidad; unidades. Capacidad de una esfera. Influencia del dieléctrico.
Cálculo de la capacidad en capacitores planos, esféricos y cilíndricos.
Conexión de condensadores.
Energía de un condensador cargado y densidad de energía en un campo eléctrico.

Unidad 6: La corriente eléctrica

La corriente eléctrica: definición, unidades. Modelo de la conducción eléctrica en metales.
Ley de Ohm. Resistencia eléctrica, su variación con la temperatura.
Trabajo y Potencia eléctrica: Ley de Joule.

Unidad 7: El circuito eléctrico

Fuerza electromotriz. Ley de Ohm generalizada, diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito.
Conexión de resistencias y fuerzas electromotrices.
Redes eléctricas. Reglas de Kirchhoff.
Circuitos de medición: Puente de Wheatstone y Potenciómetro.

Unidad 8: Magnetostática e interacción magnética

Fuentes del campo magnético, Ley de Biot y Savart. Aplicación al conductor recto y a la espira.
Ley o integral de Ampere. Aplicación al toroide y solenoide.
Fuerza del campo magnético sobre una carga en movimiento; trayectoria. Aplicación: determinación de la razón e/m .
Fuerza del campo magnético sobre una corriente eléctrica y momento sobre una espira o bobina.

Unidad 9: Inducción electromagnética

La Ley de Faraday. Fuerza electromotriz inducida en una bobina en rotación.
Cantidad de carga inducida: Fluxímetro. Fuerza electromotriz inducida sobre un conductor recto en un campo magnético. Auto y mutua inducción. Aplicaciones.
Cierre y apertura de circuitos inductivos. Constante de tiempo y gráficos.
Energía en una bobina y densidad de energía en el campo magnético.

Unidad 10: Propiedades magnéticas de la materia

Permeabilidad relativa y absoluta. Paramagnetismo,diamagnetismo y ferromagnetismo.
Magnetización, susceptibilidad magnética y relación entre parámetros. Los tres vectores magnéticos.
Ferromagnetismo y ciclo de histéresis, energía en el ciclo.

Unidad 11: Corriente Alterna

Generación de ondas de fuerza electromotriz armónicas y su representación fasorial. Aplicación de fuerza electromotriz armónica a circuitos resistivos, capacitivos e inductivos. Potencia, energía e impedancias en cada caso. Gráficos de cada uno. Circuito RLC en serie; potencia; energía y triángulos de impedancias, tensión y potencia. Resonancia en serie.

Unidad 12: Fundamentos de ondas y ecuaciones de Maxwell

Fundamentos de ondas; ecuación de ondas viajeras. Ecuación diferencial de ondas.
Generalización del electromagnetismo: ecuaciones de Maxwell en forma integral. Ecuaciones de Maxwell en forma diferencial. Velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas, índice de refracción de las ondas electromagnéticas.
Espectro electromagnético.

Unidad 13: Óptica física

Repaso de los conceptos de óptica geométrica. Interferencia de ondas, experiencias de Young. Interferencia en películas delgadas y cuñas.
Recubrimiento antirreflectante. Interferómetro de Michelson.
Difracción: difracción por una rendija y por varias rendijas: Red de difracción.
Polarización de la luz, métodos para polarizar y analizar la luz.