En aquesta sessió estudiarem el segon principi de la termodinàmica, el qual analitzarà la falta de simetria en el sentit d’evolució dels sistemes naturals. Aquest fet experimental és determinat per l’entropia que estableix que un sistema aïllat tendeix a evolucionar cap a un estat de màxima entropia fins aconseguir l’equilibri. Continuarem amb diversos enunciats del segon principi de la termodinàmica, l’estudi de les màquines tèrmiques i el rendiment de màquines tèrmiques i refrigeradors. S’acabarà amb l’anàlisi d’una màquina tèrmica ideal: la màquina de Carnot, la importància de la qual és que determina el rendiment màxim de qualsevol màquina tèrmica que treballe entre dos focus de temperatures, i la relació entre la entropia i el segon principi de la termodinàmica.

El Curs Interactiu de Física en Internet és un curs de Física general realitzat pel professor Ángel Franco de la Universitat del País Basc. La següent imatge enllaça a l’apartat dedicat al cicle de Carnot.

La bibliografia d’aquest tema i la versió en castellà les podeu consultar ací.

Aquesta segona sessió es dedicarà a la definició dels conceptes de sistemes termodinàmics, equació i variables d’estat, processos termodinàmics i formulació del primer principi de la Termodinàmica. Els sistemes termodinàmics poden intercanviar matèria i energia (no només calor sinó també treball) des d’aquests cap l’exterior i al revés. Tractarem el treball termodinàmic com a transferència d’energia entre un sistema i el seu entorn i es desenvoluparà a partir de la definició de treball mecànic. És a dir, com el treball que realitza la força deguda a la pressió d’un fluid sobre un èmbol mòbil.

Tenint en compte les definicions de l’equació i variables d’estat es formula el primer principi de la Termodinàmica que estableix que en tot procés en què se cedeix calor al sistema i aquest fa un treball, l’energia total transferida al sistema és igual al canvi en la seua energia interna. A la vegada, aquest principi representa el principi de conservació de l’energia que posa de manifest els resultats de totes les experiències desenvolupades per a relacionar el treball realitzat per o sobre un sistema termodinàmic, el calor absorbit o cedit i l’energia interna del propi sistema. Per a acabar aquesta sessió, s’estudiaran les diferents transformacions termodinàmiques reversibles per a un gas perfecte o ideal. A partir de les capacitats molars a pressió i volum constant per a gasos ideals, s’establirà la relació de Mayer i s’analitzaran les diferents transformacions termodinàmiques per a processos reversibles en gasos ideals.

El Professor del MIT (Massachussetts Institute of Technology) té un curs de física sencer enregistrat, lògicament en anglés, i podeu escoltar en el següent vídeo la sessió corresponent a la llei de gasos ideals.

[kml_flashembed movie="http://www.youtube.com/v/5uHSl7A5GEk" width="480" height="360" wmode="transparent" /]

La versió en castellà d’aquesta sessió i la bibliografia es poden consultar ací.

Per què puja el globus quan l’aire que té a l’interior s’escalfa? Per què hem de tenir en compte els esforços tèrmics en les construccions d’enginyeria? Què és la temperatura?

La termodinàmica és la part de la física que tracta la descripció dels fenòmens relacionats amb la calor i la temperatura a nivell macroscòpic. El comportament dels sistemes s’expressa en termes de propietats generals com la temperatura, la pressió, el volum i el flux de calor.

S’iniciarà aquest bloc amb la definició del concepte de temperatura i d’equilibri tèrmic, que ens conduirà a la definició del principi zero de la termodinàmica. A partir de la definició de temperatura, es discuteixen algunes magnituds termomètriques la variació de les quals està relacionada amb un canvi de temperatura (termòmetres i escales de temperatura). Així s’estableix que la calor és l’energia transferida entre dos cossos o entre un cos i el seu entorn com a conseqüència de la diferència de temperatures entre ambdós. La termodinàmica estableix que el flux de calor es produeix des del sistema de major temperatura cap al de menor temperatura fins arribar a l’equilibri tèrmic (i mai en el sentit contrari).

Una qüestió important en enginyeria civil que es tracta també en aquesta sessió és el fenomen de la dilatació tèrmica. Aquest fet s’ha de tenir en compte, per exemple, en els ponts on és usual utilitzar juntes de dilatació per a evitar o minimitzar els esforços d’origen tèrmic. A més a més, es posarà èmfasi en el comportament anòmal de l’aigua entre 0 ºC i 4 ºC. A continuació, s’analitzen els fenòmens de la propagació de la calor focalitzant el seu estudi al mecanisme de conducció. Aquest és un cas de física aplicada a la construcció on s’ha d’aïllar tèrmicament els edificis per a complir la normativa d’eficiència energètica que marca el codi tècnic de l’edificació. La llei de Fourier per a una pared plano-paral·lela relaciona el flux de calor que s’estableix en el règim estacionari i es pot deduir la corresponent llei per a una geometria cilíndrica i esfèrica. Es descriu breument la transferència de calor pels mecanismes de convecció i radiació així com les seus principals característiques.

El Professor del MIT (Massachussetts Institute of Technology) té un curs de física sencer enregistrat, lògicament en anglés, i podeu escoltar en el següent vídeo la sessió corresponent a la calor i temperatura.

[kml_flashembed movie="http://www.youtube.com/v/sr0yMWdWie0" width="480" height="360" wmode="transparent" /]

S’acabarà la primera sessió amb l’estudi de la capacitat calorífica, la calor específica i el calor latent de fusió i vaporització. Es defineix la capacitat calorífica d’una substància com l’energia tèrmica necessària per a augmentar en un grau la seua temperatura. S’analitzen els canvis de fase, la principal propietat de la qual és que el canvi d’estat d’una substància es produeix sense variació de temperatura. La versió en castellà i la bibliografia d’aquest bloc es pot consultar ací.

L’última sessió d’aquest bloc es dedica a l’estudi de les ones sonores. Definirem el so i analitzarem la seua propagació. S’obtindrà la velocitat del so en funció del medi de propagació, així com les característiques del so d’intensitat, potència i pressió acústica. També es definiran els nivells d’intensitat acústica, de potència acústica i de pressió acústica. Finalment, s’analitzarà que succeeix quan un emissor i receptor es troben en moviment relatiu en relació amb el medi en què es propaga l’ona. Aquest fenomen s’anomena efecte Doppler. Exemples quotidians són el canvi de to d’un cotxe de policia o ambulància quan se’ns apropa o se’ns allunya.

Quan una font es mou a major velocitat que la de propagació de l’ona emesa, les ones es concentren rere la font i formen el que s’anomena una ona de xoc. En el cas de les ones sonores, quan l’ona de xoc arriba al receptor es percep una mena d’espetec.

En el següent vídeo podeu escoltar i veure diversos espetecs d’avions supersònics (extret de YouTube on podeu trobar més exemples).

[kml_flashembed movie="http://www.youtube.com/v/6o0zmafxTmE" width="640" height="480" wmode="transparent" /]

Els terratrèmols produeixen vibracions en el terreny i una part d’energia d’aquest s’emet en forma d’ones sísmiques. Aquestes ones fan vibrar el terreny al llarg d’un interval de freqüències ampli. Per aquesta raó és molt important identificar les àrees susceptibles de patir danys importants per terratrèmols i complir amb les corresponents normatives de seguretat en les construccions de ponts, esculleres i edificis.

La bibliografia d’aquest bloc i la versió en castellà les podeu consultar ací.

En aquesta sessió continuem analitzant el moviment oscil·latori, però tractarem de la física de les ones. Les ones viatgen per diversos medis materials com ara l’aire, l’aigua, la terra, i també per l’espai on no hi ha cap medi material per a propagar-se. Les ones transporten energia i moment lineal, però no transporten matèria. Algunes aplicacions pràctiques del coneixement del moviment ondulatori són els radars de la policia, amb els quals “cacen”  a les persones que circulen amb excés de velocitat, o els comandaments a distància, amb els quals podem canviar els canals de televisió, ràdio o obrir portes de garatge. Els equipaments sonogràfics, que utilitzen ones ultrasòniques, aplicats a la medicina permeten obtenir imatges del fetus a l’úter de la mare. Entendre com actuen les ones en presència d’obstacles ajuda a dissenyar els auditoris per a tenir la millor acústica possible. El resum en castellà d’aquesta sessió la podeu consultar ací.

En aquesta sessió tractarem el moviment ondulatori simple, distingint entre ones longitudinals i transversals, i estudiarem les ones periòdiques, especialment les ones harmòniques. Obtindrem l’expressió matemàtica, una equació diferencial, que s’anomena equació d’ona, i la solució general de la qual és precisament la funció d’ona. També veurem com es mouen les ones en dues i tres dimensions i analitzarem l’energia del moviment ondulatori, la interferència d’ones harmòniques i les ones estacionàries.

“L’Univers Mecànic i més Enllà” és una sèrie de 52 vídeos produïdes pel California Institute of Technology and Intelecom en 1985 i presentada pel Professor David L.  Goodstein. YouTube permet la visió d’alguns capítols d’aquest curs en castellà, encara que els drets d’autor poden prohibir la seua emissió. A continuació podeu trobar la sessió corresponent a les ones.

[kml_flashembed movie="http://www.youtube.com/v/JNCaPqwNbbI" width="640" height="480" wmode="transparent" /]