TERMOMETRO

MARCO TEÓRICO

Física: Ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, considerando tan solo los atributos capaces de medida. Se ocupa de los componentes fundamentales del Universo, de las fuerzas que éstos ejercen entre sí y de los efectos de dichas fuerzas.

La física, como ciencia ha evolucionado de una forma asombrosa, no es creíble el tiempo de su desarrollo, sus aportaciones a la vida cotidiana y mucho menos las ramas de estudio de éste dogma.

Hasta principios del siglo XIX, era frecuente que los físicos fueran al mismo tiempo matemáticos, filósofos, químicos, biólogos o ingenieros. En la actualidad el ámbito de la física ha crecido tanto que, con muy pocas excepciones, los físicos modernos tienen que limitar su atención a una o dos ramas de su ciencia. Una vez que se descubren y comprenden los aspectos fundamentales de un nuevo campo, éste pasa a ser de interés para los ingenieros y otros científicos. Por ejemplo, los descubrimientos del siglo XIX en electricidad y magnetismo forman hoy parte del terreno de los ingenieros electrónicos y de comunicaciones; las propiedades de la materia descubiertas a comienzos del siglo XX han encontrado aplicación en la electrónica;

La física, como ya se pudo comprender, es una ciencia muy amplia, es por ello que con el propósito de dar una breve explicación de la misma, se tomará como recurso didáctico un efímero mapa conceptual que explicará las dos etapas de la física, sus ramas de estudio y a su vez los campos de investigación de las susodichas, para así, poder expresar de forma concisa el marco teórico de nuestro prototipo: “Termómetro digital”.

Ésta ciencia es muy amplia, es por ello que con el propósito de dar una breve explicación de la misma, se tomará como recurso didáctico un efímero mapa conceptual que explicará las dos etapas de la física, sus ramas de estudio y a su vez los campos de investigación de las susodichas, para así, poder expresar de forma concisa el marco teórico de nuestro prototipo: “Termómetro digital”.

FÍSICA

Clásica Moderna

Mecánica Fluidos Hidrostática Mecánica cuántica Atómica

Hidrodinámica Nuclear

Sólidos Dinámica Molecular

Estática Nano física

Cinética

Termodinámica Relatividad

Electromagnetismo Electricidad Electrostática

Electrodinámica

Electrónica

Magnetismo

Òptica Física

Geométrica

Acústica

Se puede apreciar en el anterior mapa que, las ramas de estudio de la física denominadas: Termodinámica y Electrónica están marcas. Esto se debe a que, el prototipo propuesto por nuestro equipo de trabajo, tiene que ver en gran parte, a la medición del calor y al uso de circuitos electrónicos, respectivamente.

Dicho lo anterior es coherente decir que, solo definiremos las ramas de estudio mencionadas y lo haremos de una forma llana, que nos permita hacer de ésta explicación algo muy digerible.

TERMODINÁMICA

Parte de la física en que se estudian las relaciones entre el calor y las restantes formas de energía.

La termodinámica es una rama de la física desarrollada durante el siglo XIX, se ocupa de determinar y cuantificar las propiedades de un sistema en su conjunto, y resulta útil en otros campos de la física; también constituye la base de las ingenierías química y mecánica.

Su importancia se debe a que aclaró los conceptos de calor y temperatura, proporcionando definiciones coherentes y demostrando cómo podían relacionarse éstas con los conceptos de trabajo y energía, que hasta entonces tenían un carácter puramente mecánico.

Calor y temperatura

Cuando una persona toca un cuerpo caliente y otro frío experimenta sensaciones diferentes: esto llevó al concepto cualitativo y subjetivo de temperatura. La adición de calor a un cuerpo lleva a un aumento de su temperatura (mientras no se produzca fusión o vaporización); cuando se ponen en contacto dos cuerpos a temperaturas diferentes, se produce un flujo de calor del más caliente al más frío hasta que se igualan sus temperaturas y se alcanza el equilibrio térmico. Para llegar a una medida de la temperatura, los científicos aprovecharon la observación de que la adición o sustracción de calor produce un cambio en alguna propiedad bien definida del cuerpo. Esto hace que la temperatura pueda medirse a partir de otra propiedad física (por ejemplo, la longitud de la columna de mercurio en un termómetro) siempre que se mantengan constantes las otras propiedades relevantes. La relación matemática entre las propiedades físicas relevantes de un cuerpo o sistema y su temperatura se conoce como ecuación de estado.

Por ejemplo, en los gases llamados ideales, hay una relación sencilla entre la presión p, el volumen V, el número de moles n y la temperatura absoluta T, dada por la ecuación:

pV = nRT

Donde R es una constante igual para todos los gases. La ley de Boyle-Mariotte y la ley de Charles y Gay-Lussac, están contenidas en esa ecuación de estado.

Hasta bien entrado el siglo XIX se consideraba que el calor era un fluido sin masa, el llamado “calórico”, que estaba contenido en la materia y podía introducirse en un cuerpo o extraerse del mismo. Aunque la teoría del calórico explicaba las cuestiones básicas de termometría y calorimetría, no lograba explicar satisfactoriamente muchas observaciones realizadas a principios del siglo XIX.

La primera relación cuantitativa entre el calor y otras formas de energía fue observada en 1798 por el físico y estadista estadounidense de origen inglés Benjamin Thompson, conde de Rumford, que observó que el calor producido al taladrar el ánima de un cañón era aproximadamente proporcional al trabajo empleado.

Primer principio de termodinámica

A mediados del siglo XIX, el físico alemán Hermann Ludwig von Helmholtz y el matemático y físico británico lord Kelvin explicaron la equivalencia entre calor y trabajo. Esta equivalencia significa que la realización de trabajo sobre un sistema puede producir el mismo efecto que la adición de calor. El valor numérico de esta equivalencia, el llamado “equivalente mecánico del calor”, fue determinado en experimentos realizados entre 1840 y 1849 por el físico británico James Prescott Joule: “Si la energía interna no varía, la cantidad de trabajo realizado sobre un sistema debe ser igual al calor desprendido por el mismo”.

Con ello quedó establecido que la realización de trabajo sobre un sistema y la adición de calor al mismo son formas equivalentes de transferir energía al sistema. Por tanto, la cantidad de energía añadida como calor o trabajo debe aumentar la energía interna del sistema, que a su vez determina la temperatura. Si la energía interna no varía, la cantidad de trabajo realizado sobre un sistema debe ser igual al calor desprendido por el mismo. Esto constituye el primer principio de la termodinámica, que expresa la conservación de la energía. Esta energía interna sólo pudo relacionarse con la suma de las energías cinéticas de todas las partículas del sistema cuando se comprendió mejor la actividad de los átomos y moléculas dentro de un sistema.

Segundo principio de termodinámica.

El calor no puede fluir de un cuerpo frío a un cuerpo caliente sin que se realice trabajo.

El primer principio indica que la energía se conserva en cualquier interacción entre un sistema y su entorno, pero no pone limitaciones a las formas de intercambio de energía térmica y mecánica. El primero en formular el principio de que los intercambios de energía se producen globalmente en una dirección determinada fue el físico e ingeniero militar francés Sadi Carnot, quien en 1824 mostró que una máquina térmica (un dispositivo que puede producir trabajo de forma continua a partir del intercambio de calor con su entorno) necesita un cuerpo caliente como fuente de calor y un cuerpo frío para absorber el calor desprendido. Cuando la máquina realiza trabajo hay que transferir calor del cuerpo caliente al cuerpo frío; para que ocurra lo contrario hay que realizar trabajo mecánico (o eléctrico). Por ejemplo, en un refrigerador que funciona de forma continua, la absorción de calor del cuerpo de baja temperatura (el espacio que se quiere refrigerar) exige realizar trabajo (por lo general en forma eléctrica) y desprender calor al entorno (a través de aletas o rejillas de refrigeración situadas en la parte trasera del aparato). Estas ideas, basadas en los conceptos de Carnot, fueron formuladas de forma rigurosa como segundo principio de la termodinámica por el físico matemático alemán Rudolf Emanuel Clausius y lord Kelvin en formas diversas aunque equivalentes. Una de estas formulaciones es que el

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