TAREAS PARA FÍSICA III

lunes, 13 de mayo de 2013

tarea #11: ensayo sobre la primera ley de la termodinámica.

Pang Vera Yok yen
Grupo: 2401
Física III

9/ 05/13

tarea #11:

ENSAYO SOBRE PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Durante la década de 1840, varios físicos entre los que se encontraban Joule, Helmholtz y Meyer, fueron desarrollando la primera ley de la termodinámica. Sin embargo, fueron Clausius en 1850 y Thomson (Lord Kelvin) quienes un año después escribieron los primeros enunciados formales

La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio de conservación de la energía, a los procesos de calor y termodinámico

El cambio en la energía interna de un sistema es igual al calor adicionado al sistema menos el trabajo realizado por el sistema

Comencemos con una propiedad de llamada Energía. El término energía tiene diversas definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para realizar trabajo.
Todos los cuerpos, pueden poseer energía debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura a su masa y a otras propiedades
Es muy difícil dar una definición concreta y contundente de energía, ya que la energía no es un ente físico real,sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas. Debe quedar claro que la energía es una propiedad y sus diferentes manifestaciones es lo que comúnmente llamamos diferentes formas de energía lo cual es un error ya que sólo existe un concepto de energía de manera singular .
Así como la Ley de Cero definió la propiedad `` temperatura'' la Primera Ley define la propiedad llamada ``energía''.

La Primera Ley de la Termodinámica impide la existencia de movimientos perpetuos de primera especie, es decir, aquellos que se alimentan de la energía que ellos mismos producen, sin necesidad de ningún aporte exterior.
La Primera Ley de la Termodinámica identifica el calor como una forma de energía. Esta idea, que hoy nos parece elemental, tardó mucho en abrirse camino y no fue formulada hasta la década de 1840, gracias a las investigaciones de Mayer y de Joule principalmente. Anteriormente, se pensaba que el calor era una sustancia indestructible y sin peso (el calórico) que no tenía nada que ver con la energía.

HERMAN HELMHOLTZ

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz; Potsdam, actual Alemania, 1821-Charlottenburgo, id., 1894)
Fisiólogo y físico alemán. Se doctoró en medicina en 1842 por el Instituto Friedrich Wilhelm de Berlín. Ejerció como profesor de fisiología en Königsberg (1849-1855), Bonn (1855-1858) y Heidelberg (1858-1871), y de física en Berlín (1871-1888); finalmente fue nombrado director del Instituto Físico-Técnico de Charlottenburgo. De sus muchas aportaciones a la ciencia destacan el invento del oftalmoscopio, instrumento diseñado para inspeccionar el interior del ojo, y del oftalmómetro, para medir su curvatura. Descubrió que el interior del oído resuena para ciertas frecuencias y analizó los sonidos complejos en sus componentes armónicos. Mostró los mecanismos de los sentidos y midió la velocidad de los impulsos nerviosos. Estudió la actividad muscular y fue el primero en formular matemáticamente el principio de conservación de la energía.

CANTIDAD DE MOVIMIENTO LINEAL Y ANGULAR ASÍ COMO SU CONSERVACIÓN

La cantidad de movimiento lineal o ímpetú es una magnitud física fundamental de tipo vectorial que describe el movimiento de un cuerpo en cualquier teoría mecánica. En mecánica clásica la cantidad de movimiento se define como elproducto de la masa del cuerpo y su velocidad en un instante determina
do

Bajo ciertas condiciones de simetría rotacional de los sistemas es una magnitud que se mantiene constante con el tiempo a medida que el sistema evoluciona, lo cual da lugar a una ley de conservación conocida como ley de conservación del momento angular. El momento angular para un cuerpo rígido que rota respecto a un eje, es la resistencia que ofrece dicho cuerpo a la variación de la velocidad angular. En el Sistema Internacional de Unidades el momento angular se mide en kg·m²/s.

A continuación se describen dos sistemas aislados en el que se conserva simultáneamente el momento lineal y del momento angular.

En el primero, se dispara una bala que queda alojada en un disco situado sobre una mesa de aire.
En el segundo, se analiza la colisión de una pelota con una bate en una primera aproximación.

Conservación del momento lineal y del momento angular .

Se coloca un disco de masa M y radio R en una mesa de aire. Se dispara un proyectil con una pistola de aire comprimido que queda alojado en el disco a una distancia x de su centro. El centro de masas del sistema formado por el disco y la bala (punto de color azul) se mueve con velocidad V_c. El sistema, además gira con velocidad angular ω alrededor de un eje perpendicular al plano del disco que pasa el c.m..

El sistema formado por la bala y el disco es aislado, la resultante de las fuerzas exteriores es cero, por lo que se verifica simultáneamente el principios de conservación del momento lineal y del momento angular.

Principio de conservación del momento lineal.

Si la masa de la bala es m y su velocidad es u y el disco de masa M está inicialmente en reposo.

mu=(M+m)V_c

Donde V_c es la velocidad del centro de masas que ahora no coincide con el centro del disco, sino que está situado a una distancia h de su centro

Principio de conservación del momento angular

Calculamos el momento angular respecto del punto P de impacto de la bala.

El momento angular inicial es cero

El momento angular final es la suma del momento angular debido al movimiento de rotación del disco alrededor de une eje que pasa por su centro O y del momento angular orbital de O alrededor del punto P.

La velocidad de O es la suma de la velocidad del c.m. V_cy la velocidad de rotación alrededor de un eje que pasa por el c.m. ω×h

El momento angular disco respecto al punto P es

-I_oω+Mx(V_c-ωh)=0

Donde el momento de inercia del disco es I_o=MR²/2

Despejamos la velocidad del c.m. V_c de la primera ecuación y la velocidad angular de rotación ω de la segunda.

Otra alternativa, es la de calcular el momento angular respecto del centro de masas (c.m.).

El momento angular inicial es m(x-h)u

El momento angular final del sistema formado por el disco y la bala incrustada describiendo un movimiento de rotación alrededor de un eje que pasa por el c.m. es

I_o+Mh² es el momento de inercia del disco respecto de un eje que pasa por el c.m. (teorema de Steiner), el otro término es el momento de inercia de la bala. Igualando el momento angular inicial al final, despejamos la velocidad angular de rotación

La energía perdida en la colisión Q es la diferencia entre las energías cinética final e inicial.

La energía inicial es la energía cinética de la bala.

La energía final es la suma de la energía cinética de traslación del sistema formado por el disco y la bala, y la energía cinética de rotación de dicho sistema alrededor de un eje que pasa por el c.m.

tarea #13 a,b,c, y d

Pang Vera Yok yen
Grupo :2401
10/05/13

TAREA #13:

tarea #13 a y b:

13 C) Premio Nobel de Física de 1997 relación con absorcion y emisión de los fotones por átomos?

Físico estadounidense. Los logros de Phillips en el uso de rayos especiales de luz, llamados láser, para ralentizar, enfriar y capturar átomos, fueron fundamentales para avanzar en el estudio de los átomos. A finales de la década de 1980 Phillips utilizó el láser para enfriar y ralentizar átomos hasta un punto que en aquel entonces no se juzgaba posible. Compartió el Premio Nobel con otros dos científicos que realizaron avances independientes y complementarios, el estadounidense Steven Chu y el francés Claude Cohen - Tannoudji.

En 1970 se graduó en Física en el Juniata College de Huntingdon, Pensilvania. En 1976 se doctoró en Física por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Dos años después se unió al National Institute of Standars and Technology (NIST), entonces conocido como National Bureau of Standards.

En 1985 Steven Chu y un equipo de los Bell Laboratories de Holmdel, Nueva Jersey, utilizaron con éxito el láser en una cámara de vacío para enfriar átomos a 240 millonésimas de grado Celsius por encima del cero absoluto, el punto en que toda la materia deja de moverse. Phillips adoptó las técnicas de Chu, y en 1988 él y su equipo enfriaron átomos a 40 millonésimas de grado Celsius por encima del cero absoluto, una temperatura inferior a la que los científicos juzgaban posible. Phillips propuso métodos para capturar átomos a intervalos regulares en lo que fue llamado "red óptica" .

A temperatura ambiente, los átomos se mueven a unos 4.000 km/h, una velocidad demasiado elevada para que los científicos puedan estudiarlos. La velocidad de los átomos está relacionada con la temperatura de la materia que conforman. Al disminuir la temperatura de la muestra de átomos, disminuye el movimiento de los átomos y viceversa. Chu y Phillips desarrollaron técnicas en las que los átomos eran bombardeados con rayos láser cuidadosamente dispuestos. El láser somete los átomos al impacto de paquetes de ondas de luz llamados fotones. Éstos no tienen masa, pero como pueden viajar a la velocidad de la luz llevan el suficiente impulso como para golpear a los átomos y frenarlos. En 1995 Cohen - Tannoudji y su equipo utilizaron técnicas similares para disminuir la temperatura de una muestra de átomos a 0,2 millonésimas de grado por encima del cero absoluto.

En 1995 fue elegido miembro de la Academia Americana de las Artes y las Ciencias y se convirtió en miembro del National Institute of Standards and Technologies. Dos años más tarde fue nombrado miembro de la Academia Nacional de las Ciencias.

Todos estos conceptos y propuestas teóricas son basados en en la emission de los fotones por atomos con ello se puede concluir q es muy necesario tener en cuenta la emission de estos fotones.

13 D) Descubrimiento de X-rayos. Premio Nobel para Wilhelm Rontgen (1845-1923) en Alemania en 1901. Naturaleza de X-rayos.

Wilhelm Conrad Röntgen (Lennep; 27 de marzo de 1845 - 10 de febrero de 1923) fue un físico alemán, de la Universidad de Würzburg, que el 8 de noviembre de 1895 produjo radiación electromagnética en las longitudes de onda correspondiente a los actualmente llamados rayos X. En los años siguientes, Röntgen publicó unos estudios «sobre un nuevo tipo de rayos»,² que fueron traducidos al inglés, francés, italiano y ruso.

Por su descubrimiento fue galardonado en 1901 con el primer premio Nobel de Física. El premio se concedió oficialmente «en reconocimiento de los extraordinarios servicios que ha brindado para el descubrimiento de los notables rayos que llevan su nombre». Röntgen donó la recompensa monetaria a su universidad. De la misma forma que Pierre Curie haría varios años más tarde, rechazó registrar cualquier patente relacionada a su descubrimiento por razones éticas. Tampoco quiso que los rayos llevaran su nombre, sin embargo en alemán los rayos X se siguen conociendo como Röntgenstrahlen(rayos Röntgen).

La Universidad de Wurzburgo le otorgó el grado honorario de Doctor en Medicina. También en su honor recibe tal nombre la unidad de medida de la exposición a la radiación, establecida en 1928: véase Roentgen

La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de imprimir las películas fotográficas. Los actuales sistemas digitales permiten la obtención y visualización de la imagen radiográfica directamente en una computadora (ordenador) sin necesidad de imprimirla. La longitud de onda está entre 10 a 0,01 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3000P Hz (de 50 a 5000 veces la frecuencia de la luz visible).

Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizanteporque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga

Los rayos X se pueden observar cuando un haz de electrones muy energéticos (del orden de 1 keV) se desaceleran al chocar con un blanco metálico. Según la mecánica clásica, una carga acelerada emite radiación electromagnética, de este modo, el choque produce un espectro continuo de rayos X a partir de cierta longitud de onda mínima dependiente de la energía de los electrones. Este tipo de radiación se denomina Bremsstrahlung, o ‘radiación de frenado’. Además, los átomos del material metálico emiten también rayos X monocromáticos, lo que se conoce como línea de emisión característica del material. Otra fuente de rayos X es la radiación sincrotrón emitida en aceleradores de partículas.

Para la producción de rayos X en laboratorios, hospitales, etc. se usan los tubos de rayos X, que pueden ser de dos clases: tubos con filamento o tubos con gas.

El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vacío en el cual se encuentran dos electrodos en sus extremos. El cátodo es un filamento de tungsteno y el ánodo es un bloque de metal con una línea característica de emisión de la energía deseada. Los electrones generados en el cátodo son enfocados hacia un punto en el blanco (que por lo general posee una inclinación de 45°) y los rayos X son generados como producto de la colisión. El total de la radiación que se consigue equivale al 1% de la energía emitida; el resto son electrones y energía térmica, por lo cual el ánodo debe estar refrigerado para evitar el sobrecalentamiento de la estructura. A veces, el ánodo se monta sobre un motor rotatorio; al girar continuamente el calentamiento se reparte por toda la superficie del ánodo y se puede operar a mayor potencia. En este caso el dispositivo se conoce como «ánodo rotatorio». Finalmente,el tubo de rayos X posee una ventana transparente a los rayos X, elaborada en berilio, aluminio o mica.

El tubo de rayos X está constituido por dos electrodos (cátodo y ánodo), una fuente de electrones (cátodo caliente) y un blanco. Los electrones se aceleran mediante una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo. La radiación es producida justo en la zona de impacto de los electrones y se emite en todas direcciones.

La energía adquirida por los electrones va a estar determinada por el voltaje aplicado entre los dos electrodos. Como la velocidad del electrón puede alcanzar velocidades de hasta debemos considerar efectos relativistas, de tal manera que,

Los diferentes electrones no chocan con el blanco de igual manera, así que este puede ceder su energía en una o en varias colisiones, produciendo un espectro continuo. La energía del fotón emitido, por conservación de la energía y tomando los postulados de Planck es:

Donde K y K’ es la energía del electrón antes y después de la colisión respectivamente. El punto de corte con el eje x de la gráfica de espectro continuo, es la longitud mínima que alcanza un fotón al ser acelerado a un voltaje determinado. Esto se puede explicar desde el punto de vista de que los electrones chocan y entregan toda su energía. La longitud de onda mínima está dada por:

La energía total emitida por segundo, es proporcional al área bajo la curva del espectro continuo, del número atómico (Z) del blanco y el número de electrones por segundo (i). Así la intensidad está dada por: