{"id":8311,"date":"2013-02-26T08:25:26","date_gmt":"2013-02-26T07:25:26","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=8311"},"modified":"2013-02-26T09:13:14","modified_gmt":"2013-02-26T08:13:14","slug":"%c2%a1la-fisica-%c2%bfque-hariamos-sin-ella","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2013\/02\/26\/%c2%a1la-fisica-%c2%bfque-hariamos-sin-ella\/","title":{"rendered":"\u00a1La F\u00edsica! \u00bfQu\u00e9 har\u00edamos sin ella?"},"content":{"rendered":"

Para no viajar muy atr\u00e1s en el tiempo, fijaremos el punto de partida en 1687, fecha en que sali\u00f3 a la luz la Obra de Newton<\/a>, sus Principas. El tiempo transcurri\u00f3 hasta 1900, fecha en la que Planck public\u00f3 un art\u00edculo de ocho p\u00e1ginas con su idea del cuanto que ser\u00eda la semilla que dar\u00eda lugar al nacimiento de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica. En 1905, aquel joven de la Oficina de Patentes de Berna, sorprendi\u00f3 al mundo de la F\u00edsica con su Teor\u00eda de la Relatividad Especial. Se produjeron muchos desarrollos importantes para nuestras im\u00e1genes de la F\u00edsica Fundamental. Uno de los mayores cambios ocurrido en ese per\u00edodo fue la comprensi\u00f3n, b\u00e1sicamente mediante los trabajos de Faraday y Maxwell en el siglo XIX, de que cierta noci\u00f3n de campo f\u00edsico, que permea en el espacio, debe cohexistir con la previamente aceptada “realidad newtoniana” de las part\u00edculas individuales que interaccionan por medio de fuerzas instant\u00e1neas.<\/p>\n

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Conforme a lo que arriba decimos se producen fen\u00f3menos y se ponen en marcha mecanismos que hacen posible que, la imagen que vemos, pueda ser posible gracias a la presencia de fuerzas que, aunque no las podamos ver, su presencia se hace patente por los resultados que en su diversidad, son los mecanismos que llevan el ritmo del universo en el que viv\u00edmos.<\/p>\n

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M\u00e1s tarde, esta noci\u00f3n de “campo” se convirti\u00f3 tambi\u00e9n en un ingrediente crucial de la teor\u00eda de la Gravedad en un espaciotiempo curvo a la que lleg\u00f3 Einstein<\/a> en 1915. Lo que ahora denominamos campos cl\u00e1sicos son el Campo Electromagn\u00e9tico de Maxwell y el Campo Gravitatorio de Einstein<\/a>.<\/p>\n

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La presencia del campo gravitatorio de una masa afecta al tiempo y al espacio. La gravedad hace que dos relojes atrasen. Un reloj en la superficie de la Tierra atrasa con respecto a un reloj en la Luna, toda vez que el campo gravitatorio de la Tierra es m\u00e1s potente. De la misma manera, nos podr\u00edamos preguntar \u00bfpor qu\u00e9 la gravedad act\u00faa sobre el espacio y alarga el tama\u00f1o de los objetos (estir\u00e1ndolos). \u00bfD\u00f3nde podr\u00edamos crecer m\u00e1s, si vivi\u00e9ramos en la Tierra o en la Luna?<\/p>\n

Pero sigamos. Hoy d\u00eda sabemos que hay mucho m\u00e1s en la Naturaleza del mundo f\u00edsico que la sola f\u00edsica cl\u00e1sica. Ya en 1900 -como decimos antes- Max Planck hab\u00eda reveleado los primeros indicios de la necesidad de una “teor\u00eda cu\u00e1ntica”, aunque se necesit\u00f3 un cuarto de siglo m\u00e1s antes de que pudiera ofrecerse una teor\u00eda bien formulada y global. Tambi\u00e9n deber\u00eda quedar claro que, adem\u00e1s de todos estos profundos cambios que se han producido en los fundamentos “newtonianos” de la f\u00edsica, ha habido otros desarrollos importantes, tanto previos a dichos cambios como coexistentes con algunos de ellos en forma de poderosos avances matem\u00e1ticos, dentro de la propia teor\u00eda newtoniana.<\/p>\n

\"einst_planck.jpg\"<\/p>\n

En 1905 un desconocido Albert Einstein<\/a> publicar\u00eda unos espectaculares estudios sobre la teor\u00eda de la relatividad<\/a>, pero muy pocos cient\u00edficos, entre ellos Planck, reconocer\u00edan inmediatamente la relevancia de esta nueva teor\u00eda cient\u00edfica. Tanta fue su importancia que incluso Planck contribuyo a ampliarla.<\/p>\n

Pero igualmente, la hip\u00f3tesis de Einstein<\/a> sobre la ligereza del quantum (el fot\u00f3n<\/a>), basada en el descubrimiento de Philipp Lenard de 1902 sobre el efecto fotoel\u00e9ctrico fue rechazada por Planck, al igual que la teor\u00eda de James Clerk Maxwell sobre la electrodin\u00e1mica.<\/p>\n

En 1910 Einstein<\/a> desaf\u00eda la explicaci\u00f3n de la f\u00edsica cl\u00e1sica poniendo el ejemplo del comportamiento an\u00f3malo del calor espec\u00edfico en bajas temperaturas. Planck y Nernst decidieron organizar la primera Conferencia de Solvay, para clarificar las contradicciones que aparec\u00edan en la f\u00edsica. En esta reuni\u00f3n celebrada en Bruselas en 1911, Einstein<\/a> consigui\u00f3 convencer a Planck sobre sus investigaciones y sus dudas, lo que hizo forjar una gran amistad entre ambos cient\u00edficos, y conseguir ser nombrado profesor de f\u00edsica en la universidad de Berl\u00edn mientras que Planck fue decano.<\/p>\n

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Otra \u00e1rea importante de avance sobre la que hab\u00eda que llamar la atenci\u00f3n es la termodin\u00e1mica (y su refinamiento conocido como mec\u00e1nica estad\u00edstica). Esta estudia el comportamiento de sistemas de un gran n\u00famero de cuerpos, donde los detalles de los mocimientos no se consideran importantes y el comportamiento del sistema se describe en t\u00e9rminos de promedios de las magnitudes adecuadas. Esta fue una empresa iniciada entre mediados del XIX y principios del XX, y los nombres de Carnot Clausius, Maxwell, Boltzmann, Gibbs y Einstein<\/a> son los protagonistas.<\/p>\n

Termodin\u00e1mica.- Parte de la f\u00edsica que estudia las relaciones existentes entre los fen\u00f3menos din\u00e1micos y los calor\u00edficos. Trata de la transformaci\u00f3n de la energ\u00eda mec\u00e1nica en calor y del calor en trabajo. Tambi\u00e9n describe y relaciona las propiedades f\u00edsicas de sistemas macrosc\u00f3picos de materia y energ\u00eda. La termodin\u00e1mica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que las propiedades del sistema\u2014t\u00edpicamente la presi\u00f3n, la temperatura, el volumen y la masa\u2014 son constantes.<\/p>\n

Un concepto esencial de la termodin\u00e1mica es el de sistema macrosc\u00f3pico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macrosc\u00f3pico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presi\u00f3n o el volumen, que se conocen como variables termodin\u00e1micas. Es posible identificar y relacionar entre s\u00ed muchas otras variables (como la densidad, el calor espec\u00edfico, la compresibilidad o el coeficiente de expansi\u00f3n t\u00e9rmica), con lo que se obtiene una descripci\u00f3n m\u00e1s completa de un sistema y de su relaci\u00f3n con el entorno. Cuando un sistema macrosc\u00f3pico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodin\u00e1mico. Las leyes o principios de la termodin\u00e1mica, descubiertos en el siglo XIX a trav\u00e9s de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los l\u00edmites de todos los procesos termodin\u00e1micos.<\/p>\n

\u00bfCuales son los Principios de la Termodin\u00e1mica?<\/p>\n

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Cuando dos sistemas est\u00e1n en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad puede medirse, y se le puede asignar un valor num\u00e9rico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodin\u00e1mica, que afirma que si dos sistemas distintos est\u00e1n en equilibrio termodin\u00e1mico con un tercero, tambi\u00e9n tienen que estar en equilibrio entre s\u00ed. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabar\u00e1 alcanzando el equilibrio termodin\u00e1mico con su entorno, es decir, llegar\u00e1 a tener la misma temperatura que \u00e9ste.<\/p>\n

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Primer Principio.-<\/p>\n

La cantidad de calor entregado a un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema m\u00e1s la variaci\u00f3n de su energ\u00eda interna. Cuando un sistema se pone en contacto con otro m\u00e1s fr\u00edo que \u00e9l, tiene lugar un proceso de igualaci\u00f3n de las temperaturas de ambos. Para explicar este fen\u00f3meno, los cient\u00edficos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura flu\u00eda hacia el cuerpo de menor temperatura. El primer principio es una ley de conservaci\u00f3n de la energ\u00eda. Afirma que, como la energ\u00eda no puede crearse ni destruirse \u2014dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energ\u00eda\u2014 la cantidad de energ\u00eda transferida a un sistema en forma de calor m\u00e1s la cantidad de energ\u00eda transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energ\u00eda interna del sistema. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un m\u00f3vil perpetuo de primera especie.<\/p>\n

\"'Ecosistemas<\/p>\n

\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Flujo de la energ\u00eda en los ecosistemas. En los ecosistemas se cumplen pues el primer y segundo principio de la termodin\u00e1mica.<\/p>\n

Segundo Principio.-<\/p>\n

El segundo dice que solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura. Al respecto, siempre se observa que el calor pasa espont\u00e1neamente de los cuerpos calientes a los fr\u00edos hasta quedar a la misma temperatura. La segunda ley afirma que la entrop\u00eda<\/a>, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuraci\u00f3n de m\u00e1xima entrop\u00eda<\/a>, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues \u2018preferir\u2019 el desorden y el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una regi\u00f3n de temperatura m\u00e1s baja a una regi\u00f3n de temperatura m\u00e1s alta. El segundo principio impone una condici\u00f3n adicional a los procesos termodin\u00e1micos. No basta con que se conserve la energ\u00eda y cumplan as\u00ed el primer principio. Una m\u00e1quina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina \u201cm\u00f3vil perpetuo de segunda especie\u201d, ya que podr\u00eda obtener energ\u00eda continuamente de un entorno fr\u00edo para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmaci\u00f3n que descarta la existencia de un m\u00f3vil perpetuo de segunda especie.<\/p>\n

\"[espejo.jpg]\"<\/p>\n

Tercer principio de termodin\u00e1mica o principio onfal\u00f3sc\u00f3pico, (mirarse el ombligo): La televisi\u00f3n se retroalimenta a s\u00ed misma. Se hace televisi\u00f3n para hablar sobre televisi\u00f3n.<\/p>\n

Tercer Principio.-<\/p>\n

El tercer principio de la termodin\u00e1mica afirma que el cero absoluto no puede alcanzarse por ning\u00fan procedimiento que conste de un n\u00famero finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a \u00e9l.<\/p>\n

Ciclos termodin\u00e1micos.-<\/p>\n

Todas las relaciones termodin\u00e1micas importantes empleadas en ingenier\u00eda se derivan del primer y segundo principios de la termodin\u00e1mica. Resulta \u00fatil tratar los procesos termodin\u00e1micos bas\u00e1ndose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original despu\u00e9s de una serie de fases, de manera que todas las variables termodin\u00e1micas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energ\u00eda interna de un sistema no puede cambiar, puesto que s\u00f3lo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema. Un motor t\u00e9rmico de eficiencia perfecta realizar\u00eda un ciclo ideal en el que todo el calor se convertir\u00eda en trabajo mec\u00e1nico. El cient\u00edfico franc\u00e9s del siglo XIX Sadi Carnot, que concibi\u00f3 un ciclo termodin\u00e1mico que constituye el ciclo b\u00e1sico de todos los motores t\u00e9rmicos, demostr\u00f3 que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor t\u00e9rmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodin\u00e1mica impone un l\u00edmite superior a la eficiencia de un motor, l\u00edmite que siempre es menor del 100%. La eficiencia l\u00edmite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.<\/p>\n

\"9starlight_fantasy.jpg\"<\/p>\n