La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:
Los sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.
Los líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.
Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.
Estado sólido
Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan posiciones casi fijas. En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido. Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas. Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas:
Estado líquido
Los líquidos, al igual que los sólidos, tienen volumen constante. En los líquidos las partículas están unidas por unas fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por esta razón las partículas de un líquido pueden trasladarse con libertad. El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene. También se explican propiedades como la fluidez o la viscosidad. En los líquidos el movimiento es desordenado, pero existen asociaciones de varias partículas que, como si fueran una, se mueven al unísono. Al aumentar la temperatura aumenta la movilidad de las partículas (su energía).
Estado gaseoso
Los gases, igual que los líquidos, no tienen forma fija pero, a diferencia de éstos, su volumen tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos. En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño. Las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades de expansibilidad y compresibilidad que presentan los gases: sus partículas se mueven libremente, de modo que ocupan todo el espacio disponible. La compresibilidad tiene un límite, si se reduce mucho el volumen en que se encuentra confinado un gas éste pasará a estado líquido. Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión:
Cambios de estado
Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias. Si se calienta un sólido, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal. Si calentamos un líquido, se transforma en gas. Este proceso recibe el nombre de vaporización. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. También la temperatura de ebullición es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del agua es 100 °C a la presión atmosférica normal.
Transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
El calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por radiación. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitación.
CONDUCCIÓN
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicasmatemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.
CONVECCIÓN
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.
El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.
RADIACIÓN
La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánicaestadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.
La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.
Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.
Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.
Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.
Un objeto no se moverá a menos que se le aplique fuerza al mismo. Por ejemplo, una roca colocada en el suelo no se moverá a menos que algo la mueva, como por ejemplo una persona que la patee.
Segunda ley del movimiento
La aceleración se refiere a la velocidad a la que se mueve un objeto. Esta velocidad depende de la cantidad de fuerza aplicada al objeto. Cuanta más fuerza se utilice, más rápido se moverá. Si la roca en la primera ley fuera pateada con toda la fuerza de una persona, se movería aún más lejos que si se la pateara con la mitad de la fuerza de una persona.
Tercera ley del movimiento
La tercera ley sostiene que por cada acción hay una reacción igual y opuesta. Esta ley incluye dos objetos. Por ejemplo, si lanzas una pelota de tenis con una cierta fuerza contra la pared, la reacción de la pelota será rebotar inmediatamente hacia ti. Otro ejemplo sería cuando un bicho impacta contra el parabrisas de un coche y hace ¡plaf!, el bicho le pega al coche y el coche le pega al bicho; aun cuando se golpean con la misma cantidad de fuerza, el cuerpo suave del insecto no puede resistir las fuerzas de la colisión con el coche.
Cómo son las tres leyes de movimiento de Newton usadas en el béisbol?
Una pelota de béisbol que es lanzada, golpea y se desplaza por el aire está sujeta a uno o más principios físicos formulados hace 300 años por Sir Isaac Newton. El folclore cuenta cómo los matemáticos y físicos se dieron cuenta primero de la ley de la gravedad mientras observaban la caída de una manzana. Si en vez de eso Newton hubiese visto un partido de béisbol, puede que hubiese formulado las tres leyes del movimiento antes de la séptima entrada.
Las leyes del movimiento de Newton se aplican a cada aspecto del béisbol
Lanzamiento
La primera ley de Newton dice que cada objeto permanece en reposo o en movimiento uniforme en linea recta a menos que se vea obligado a cambiar su estado por acción de una fuerza externa. El famoso lanzador Nolan Ryan batió el récord de 5.714 eliminaciones por strikeouts tal y como documenta el almanaque de béisbol, usando la primera ley del movimiento cuando lanzaba su bola más rápida. Ryan mantenía la pelota en su guante mientras miraba las señales del receptor. Después de recibir la señal, entraba en posición de impulso y ponía la bola en movimiento hacia la última base con su lanzamiento. Además de la habilidad de Ryan de lanzar una bola rápida a 100 mph (44,70m/s), él entendía la física de la presión del aire que actúa sobre la superficie de la bola. Poner un giro lateral en su bola rápida causaba que ésta se moviera varias pulgadas a los lados mientras cruzaba la última base, haciendo que fuera casi imposible que un bateador le diera. Los buenos lanzadores usan la primera ley del movimiento para lanzar bolas rápidas con deslizamiento y curvas.
Golpear
La segunda ley (F=M*A) muestra que la velocidad de una masa cambia cuando está sujeta a una fuerza externa. La primera ley de Newton se da en ambos extremos de un lanzamiento. El envío del lanzador fija el movimiento de la bola y el bateador pone en movimiento el bate girándolo. Su segunda ley demuestra que la fuerza generada en el momento del contacto es igual a la masa combinada y la aceleración tanto de la bola como del bate. Los bateadores usan este fenómeno en algunas situaciones girando con mayor facilidad para que la bola caiga entre los jugadores de cuadro y los de fuera. La segunda ley de Newton se ilustra de forma dramática cuando los bateadores tocan la bola, debido a que la masa del bate no está en movimiento. La aceleración singular de la masa es proporcionada por la bola lanzada. Un tocador listo usa los factores de masa-aceleración en el momento del contacto permitiendo que la barra del bate reaccione ligeramente a la fuerza generada por la bola. El resultado es un toque que rueda y para cerca de un jugador de cuadro.
Bolas voladoras
La tercera ley de Newton establece que por cada acción hay una reacción igual y opuesta. Los jugadores de fuera lo comprenden en términos de que una bola que sube tiene que bajar. La primera ley de Newton se aplica a las fuerzas combinadas de la presión del aire y la gravedad que actúan sobre una bola golpeada en el aire. La segunda ley se refiere a la fuerza, la masa y la aceleración que se aplican a qué tan alto y lejos es golpeada la bola. Los jugadores de fuera aprenden a medir la distancia general de las bolas voladoras justo antes de que alcancen la altura de su arco. Los jugadores excepcionales tienen la habilidad de hacer los mismos cálculos cuando la bola comienza a levantarse al ser golpeada. Un jugador puede ver que la distancia entre su localización y la proyección del arco de la bola hace que sea imposible coger algunas al vuelo. Usan la segunda ley de Newton para posicionarse en el campo o recoger bolas voladoras.
Corrido de bases
Los corredores de bases usan las tres leyes de Newton cuando intentan alcanzar la base en un bateo o robo de base. Los bateadores se ponen en marcha hacia la primera base y al mismo tiempo calculan la velocidad de una bola en el suelo o la distancia de una bola en el aire. Basándonos en la segunda ley, el bateador puede elegir quedarse en la primera o continuar corriendo a las siguientes bases. Los buenos ladrones de bases usan la tercera ley de Newton para calcular el tiempo que le lleva a una pelota lanzada por un jugador de dentro o fuera del campo para alcanzar la base deseada. El famoso bateador Ricky Henderson usó su velocidad y las leyes del movimiento para golpear, llegar a la base y robar el récord de 1.406 bases durante su carrera de 25 años.
Bolas voladoras
La tercera ley de Newton establece que por cada acción hay una reacción igual y opuesta. Los jugadores de fuera lo comprenden en términos de que una bola que sube tiene que bajar. La primera ley de Newton se aplica a las fuerzas combinadas de la presión del aire y la gravedad que actúan sobre una bola golpeada en el aire. La segunda ley se refiere a la fuerza, la masa y la aceleración que se aplican a qué tan alto y lejos es golpeada la bola. Los jugadores de fuera aprenden a medir la distancia general de las bolas voladoras justo antes de que alcancen la altura de su arco. Los jugadores excepcionales tienen la habilidad de hacer los mismos cálculos cuando la bola comienza a levantarse al ser golpeada. Un jugador puede ver que la distancia entre su localización y la proyección del arco de la bola hace que sea imposible coger algunas al vuelo. Usan la segunda ley de Newton para posicionarse en el campo o recoger bolas voladoras.
Corrido de bases
Los corredores de bases usan las tres leyes de Newton cuando intentan alcanzar la base en un bateo o robo de base. Los bateadores se ponen en marcha hacia la primera base y al mismo tiempo calculan la velocidad de una bola en el suelo o la distancia de una bola en el aire. Basándonos en la segunda ley, el bateador puede elegir quedarse en la primera o continuar corriendo a las siguientes bases. Los buenos ladrones de bases usan la tercera ley de Newton para calcular el tiempo que le lleva a una pelota lanzada por un jugador de dentro o fuera del campo para alcanzar la base deseada. El famoso bateador Ricky Henderson usó su velocidad y las leyes del movimiento para golpear, llegar a la base y robar el récord de 1.406 bases durante su carrera de 25 años.
