Tema 3: La luz se define como una forma de energía electromagnética que se desplaza en línea recta en forma de ondas y a una velocidad de 300,000 km/s. La luz emitida o absorbida por los átomos es el resultado de los cambios de energía de los electrones exteriores de los átomos. La luz es fuente de todos los colores.

Características de la Luz

  • Formada por ondas de diferentes longitudes.
  • Los objetos absorben unas longitudes y reflejan otras.

Propiedades de la Luz

  • Viaja en línea recta.
  • Puede desviarse.
  • Puede reflejarse.
  • Puede difundirse.
  • Es de colores.

La luz es energía que se emite en forma de ondas que viajan a enorme velocidad a partir de una fuente como el sol, bombilla, flash, etc. Afecta a la naturaleza de los materiales a los que alcanza, determinando en ellos ciertos cambios. Su comportamiento varía en función del material sobre el que incida:

  • Opacos: absorben la mayor parte de sus rayos.
  • Transparentes: se dejan atravesar.
  • Superficies texturadas: la dispersan en todas direcciones.
  • Superficies pulidas: reflejan la luz sin dispersarla.

Características de las Ondas

Una onda está caracterizada por el valor de su frecuencia (Hz o s-1), que se mantiene constante aunque la onda cambie de medio material.

  • Velocidad de propagación: v = λ/t = λ.f (m/s)
  • Periodo: t = 1/f (s)
  • Índice de refracción del medio material: n = c/v

La Luz y los Materiales

Cuando la energía luminosa incide en un material, se pueden dar varios resultados:

  • Transmisión: directa, difusa o selectiva.
  • Absorción.
  • Reflexión: especular o difusa.
  • Refracción.
  • Dispersión.

Reflexión de la Luz

  • Cambio de dirección que experimenta cuando incide en una superficie.
  • La luz no cambia de medio de propagación y no cambia de velocidad.
  • El rayo incidente, el reflejado y la normal están en el mismo plano.
  • Los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales.

Tipos de Formas de Energía

En las ondas electromagnéticas encontramos:

  • Ondas de radar.
  • El calor.
  • La luz infrarroja.
  • La luz ultravioleta.
  • Los rayos X.
  • Los rayos gamma.
Longitud de Onda

La luz está formada por ondas de diferente longitud. Los rojos tienen mayor longitud de onda que los azules. La luz blanca es una mezcla de λ que incluye todos los colores del espectro.

Temperatura de Color

La temperatura de color es la temperatura en la que un cuerpo negro emitirá tal color. A medida que la temperatura aumenta, el color pasa del rojo al naranja, al amarillo y al azul. Al matiz rojo de una bombilla doméstica, le corresponde una temperatura de color más baja que a la azul de un día despejado. La temperatura de color de la luz natural varía mucho según las condiciones meteorológicas y la hora. La temperatura de color se mide en grados Kelvin.

Todo Cuerpo Emite Radiaciones

La longitud de onda de la radiación emitida varía según la temperatura a la que se encuentre la fuente emisora. A mayor temperatura, menor longitud de onda de luz emitida. De ahí los tonos rojizos del amanecer y atardecer.

Dispersión

  • Newton hizo pasar un haz de luz blanca a través de un prisma triangular de cristal.
  • Se produce la descomposición de la luz blanca en los colores del espectro.
  • Son los equivalentes a los que apreciamos cuando la luz del sol descompone la luz en un día de lluvia.

Colores del Arco Iris

Los colores del arco iris son: azul violáceo, azul celeste, verde, amarillo, rojo anaranjado y rojo púrpura. La luz se refracta en el borde de un cristal, de un plástico o de un CD, DVD, etc., también sobre las burbujas de jabón o en charcas. El arco iris es un ejemplo de dispersión de la luz solar por refracción en gotas de agua.

Refracción de la Luz

  • Cambio de dirección producido cuando la luz pasa de un medio a otro.
  • Hay un cambio en la velocidad de propagación.
  • El rayo incidente, el refractado y la normal no están en el mismo plano.
  • Los ángulos de incidencia y de refracción están relacionados por la ley de Snell: n1 . sen i = n2 . sen r.

El Color

El mundo de los colores que percibimos no sería nada sin la luz. En la oscuridad, no es posible apreciarlos. El color es el resultado de la luz reflejada sobre los objetos.

Mezclas de Color

Existen dos tipos de síntesis de color:

  • Síntesis Aditiva: Colores que percibimos a través de la luz (rojo, verde y azul). La fusión de estos crea la luz blanca.
  • Síntesis Sustractiva: Colores pigmento (magenta, cyan y amarillo). Son los colores primarios basados en la luz reflejada de los pigmentos aplicados a las superficies.

Círculo Cromático

El círculo cromático explica la relación entre los colores. Contiene los colores primarios, secundarios y terciarios, entre los que se contemplan los complementarios.

Primarios y Secundarios
  • Primarios: Magenta (rojo), cyan (azul) y amarillo.
  • Secundarios: Verde (amarillo + cyan), violeta (magenta + azul) y naranja (magenta + amarillo).
Intermedios y Complementarios
  • Intermedios: Rojo violáceo, rojo anaranjado, amarillo anaranjado, amarillo verdoso, azul verdoso y azul violáceo.
  • Complementarios: Proporcionan mayores contrastes en el gráfico.

Características del Color

  • Tono o Matiz: También llamado tinte. Lo que llamamos color.
  • Valor o Luminosidad: Grado de claridad u oscuridad de un color.
  • Saturación o Cromaticidad: Intensidad cromática o grado de pureza de un color.

En síntesis, la palabra color abarca tono, valor y saturación. No basta una de estas cualidades por sí solas para definirlo con exactitud.

Contraste y Armonía

  • Contraste: Cuando en una composición los colores no tienen nada en común o existe una gran diferencia entre ellos.
  • Armonía: Los colores muy relacionados y próximos en el círculo dan sensación de armonía.

Colores Apagados y Fuertes

  • Colores Apagados: Todos los del círculo con agregado de negro o gris.
  • Colores Fuertes: Uno o dos resultarían atractivos, pero varios de intensidad y extensión parecidas pueden imponerse fácilmente al sujeto.

Ningún color es percibido del mismo modo por dos personas.

Introducción a la Energía

La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar transformaciones en ellos mismos o en otros cuerpos. Se manifiesta de diferentes formas: energía mecánica, térmica, química, eléctrica, etc.

Energía Cinética

Es la energía que poseen los cuerpos por el hecho de estar en movimiento. Ec = (1/2)mv2

Energía Potencial Gravitatoria

Es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa respecto a la superficie de la Tierra. Ep = mgh

La unidad de todas las formas de energía en el S.I. es el julio (J). Las magnitudes intensivas tienen un valor independiente de la masa del cuerpo (T, ρ…), mientras que las magnitudes extensivas tienen un valor directamente proporcional a la masa del cuerpo considerado (E, V…).

Teoría Cinético-Molecular de la Materia

Permite explicar las características de los estados de agregación de la materia (sólido, líquido y gaseoso) y los cambios de estado.

Energía Interna

Cualquier cuerpo posee una cierta energía por el hecho de estar en movimiento o de tener una cierta altura sobre el nivel del suelo. La energía cinética asociada a los distintos tipos de movimiento de las partículas y la energía potencial debida a las fuerzas atractivas y repulsivas entre las partículas contribuyen a la energía interna total de los cuerpos.

La energía interna de un cuerpo es la energía total de las partículas que lo constituyen, es decir, es la suma de todas las formas de energía que poseen sus partículas: átomos, moléculas e iones. La energía interna es una magnitud extensiva, porque aumenta al aumentar la masa del cuerpo, y su cantidad depende también del estado de movimiento de sus partículas.

Temperatura

Según la Teoría Cinético-Molecular de la materia, las partículas de los cuerpos se mueven constantemente con velocidades variables. Este movimiento recibe el nombre de agitación térmica y revela que poseen energía cinética. Un cuerpo tiene mayor agitación térmica si sus partículas se mueven a mayor velocidad. A mayor agitación térmica de las partículas, las partículas tienen mayor energía cinética.

Temperatura de los Cuerpos

Es una medida de la energía cinética media de sus partículas, de modo que un cuerpo está a mayor temperatura que otro si la energía cinética media de sus partículas es mayor. La temperatura es una magnitud intensiva, no depende del número de partículas de un cuerpo, es independiente de la masa del cuerpo.

Termómetros

Instrumentos utilizados para medir la temperatura de los cuerpos. Se caracterizan por:

  • Alcanzar rápidamente la misma temperatura que el cuerpo en contacto.
  • Mide la temperatura de manera indirecta ya que mide una propiedad física relacionada con la temperatura.

Escalas de Temperatura

Se usan las escalas termométricas. Las más importantes son tres:

  • Celsius.
  • Kelvin (S.I).
  • Fahrenheit.

Calor

Se considerarán los cuerpos desde un punto de vista microscópico, es decir, teniendo en cuenta el comportamiento de sus partículas. El desarrollo de la Teoría Cinético-Molecular de la materia ha conducido a la formulación de una Teoría Cinética del Calor, que interpreta el calor como una forma de energía transferida.

Calor o Energía Térmica

Es la energía transferida entre dos cuerpos debido a una diferencia de temperatura. Es la energía que se ha transferido entre dos cuerpos para alcanzar el equilibrio térmico, donde ambos cuerpos se encuentran a la misma temperatura.

Equilibrio Térmico

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos a diferentes temperaturas, el cuerpo caliente transfiere energía al frío hasta que sus temperaturas se igualan. Entonces deja de transferirse energía y se dice que los dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico y poseen una temperatura común, la temperatura de equilibrio.

Temperatura

Magnitud común a dos cuerpos en equilibrio térmico. La temperatura de dos cuerpos que alcanzan el equilibrio térmico no es la temperatura media de las iniciales, ya que intervienen factores como la masa de cada cuerpo y la naturaleza de la materia de cada uno. Esta energía transferida de un cuerpo a otro es lo que recibe el nombre de calor.

Transferencia de Calor

La energía en forma de calor, energía térmica, puede transferirse de un cuerpo a otro de tres maneras diferentes:

  • Por conducción.
  • Por convección.
  • Por radiación.

Teoría Cinética y Movimiento Térmico

Es un modelo que explica los fenómenos que tienen lugar en los cuerpos a partir de las siguientes suposiciones:

  • La materia está formada por pequeñas partículas que ejercen fuerzas entre sí.
  • Estas partículas experimentan un movimiento continuo y desordenado, llamado movimiento térmico.
  • La temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía cinética media de sus partículas.
Propagación del Calor por Conducción

Si sujetamos una barra metálica por un extremo y acercamos el otro extremo a una llama, al poco tiempo notamos que nos llega calor. Las partículas de la barra, cuando se calientan, vibran y chocan con las partículas próximas, transmitiéndole energía cinética. Así, va aumentando la temperatura del sólido desde un extremo al otro.

Efectos y Aplicaciones de la Conducción

La buena conductibilidad de los metales obliga a poner mangos o asas de sustancias malas conductoras a los utensilios domésticos de metal que han de calentarse. Las sustancias malas conductoras se emplean como aislantes del calor: madera, corcho, plástico, etc. El aire es también un buen aislante. El mejor de todos los aislantes es el vacío.

Propagación del Calor por Convección

La convección es la propagación del calor propia de los fluidos (líquidos y gases). Si colocamos la mano por encima de una llama, notamos que nos llega calor. El transporte de la energía térmica es efectuado por las moléculas del aire próximas a la llama al desplazarse hacia nuestra mano.

Propagación del Calor por Radiación

Nuestro planeta recibe la energía térmica procedente del Sol a través del vacío y a la velocidad de la luz. La transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, sin la intervención de partículas materiales que lo transporten, se denomina radiación. Todos los cuerpos emiten energía en forma de ondas electromagnéticas, parecidas a las de la luz, que se propagan en todas direcciones y sin necesidad de ningún soporte material.

Variación de la Temperatura y Cambios de Estado

Al transferir energía mediante calor a una sustancia sólida o líquida, aumenta la temperatura porque se incrementa la energía cinética media de las partículas. Cuando su energía cinética no puede aumentar más, toda la energía absorbida se emplea para incrementar la energía potencial de las partículas, lo cual debilita las fuerzas de atracción entre sí y produce un cambio de estado.

Fusión y Vaporización
  • Fusión: Cambio de estado que experimenta una sustancia al pasar de sólido a líquido.
  • Vaporización: Cambio de estado al pasar de líquido a gas.
Punto de Fusión y Ebullición
  • Punto de Fusión: La temperatura se mantiene constante mientras tiene lugar el cambio de estado. El agua funde a 0ºC bajo la presión externa de 1 atm.
  • Punto de Ebullición: La temperatura se mantiene constante mientras tiene lugar el cambio de estado. El agua hierve a 100ºC bajo la presión externa de 1 atm.

Primer Principio de la Termodinámica

Dice que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Por lo que, en cualquier proceso, la cantidad total de energía se mantiene constante, es decir, la energía total del universo se mantiene constante.

Segundo Principio de la Termodinámica

Dice que no puede existir ningún sistema que de forma continua transforme calor totalmente en trabajo, sin producir ningún otro efecto. El proceso de conversión de calor en trabajo es de gran importancia en nuestra sociedad actual, debido a la gran utilidad de las llamadas máquinas térmicas (dispositivos capaces de transformar de forma continua calor en trabajo).