Energa y fsica cuntica

ISFD SUETRA2012Energa y fsica cunticaNatalia Russo 4to ao de Profesorado de Matemtica

QU ES LA ENERGA?

Llamamos energa a la propiedad que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para producir cambios o transformaciones en ellos mismos o en otros cuerpos.Ej.: El aire tiene energa, es capaz de mover un velero o las aspas de un molino. La madera posee energa, ya que al quemarla puede hacer hervir el agua.Casi toda la energa de que disponemos proviene del Sol.Por ejemplo, gracias a la luz solar las plantas realizan la fotosntesis y fabrican materia energa que necesitan. orgnica que es utilizada por el resto de los seres vivos para obtener la energa que necesitan. PROPIEDADES DE LA ENERGA

La energa posee unas caractersticas importantes: Se TRANSFIERE. Puede pasar de unos cuerpos a otros. Por ejemplo mezclamos agua caliente con agua fra, pasa energa del aguacaliente a la fra. La energa se TRANSFORMA. Con esto queremos indicar que una forma de energa puede convertirse en otra. Por ejemplo, la energaelctrica puede convertirse en energa qumica al cargar la batera de un telfono mvil. Puede ser TRANSPORTADA. Puede pasar de un lugar a otro, en forma de combustibles fsiles (carbn, petrleo, gas), mediantetendidos elctricos...

Se puede ALMACENAR, en pilas, bateras, pantanos etc. La energa se CONSERVA. Permanece constante cuando pasa de un cuerpo a otro o cuando una forma de energa se transforma en otra.

Esta caracterstica se conoce como elprincipio de conservacin de la energa: la energa ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

La energa se DEGRADA. Hay formas de energa ms tiles que otras (en el sentido de que nos permiten provocar ms trasformaciones).

Una vez que se usa la energa en una transformacin determinada, pierde parte de su utilidad. Decimos entonces que la energa se ha degradado o ha perdido calidad (no decimos que se ha gastado). Unas formas de energa pueden transformarse en otras. En estas transformaciones la energa se degrada, pierde calidad. En toda transformacin, parte de la energa se convierte en calor o energa calorfica.Cualquier tipo de energa puede transformarse ntegramente en calor; pero, ste no puede transformarse ntegramente en otro tipo de energa. Se dice, entonces, que el calor es una forma degradada de energa. Son ejemplos:

La energa elctrica, al pasar por una resistencia.La energa qumica, en la combustin de algunas sustancias.La energa mecnica, por choque o rozamiento.

Se define, por tanto, el Rendimiento como la relacin (en % por ciento) entre la energa til obtenida y la energa aportada en una transformacin.

FORMAS DE ENERGALa energa se presenta de distintas formas, que se pueden convertir unas en otras.

Energa cintica.Est asociada a los objetos en movimiento. Un cuerpo en movimiento es capaz de provocar cambios que no podra realizar estando en reposo. Esta energa depende de la velocidad y la masa del cuerpo.

Energa potencial.Est asociada a la posicin que ocupa el cuerpo. Por ejemplo, un cuerpo situado a cierta altura del suelo puede caer, ponindose en movimiento y empujar a otro.

Energa elctrica.Relacionada con el movimiento de las cargas elctricas. Es una energa muy verstil pues puede convertirse fcilmente en otras formas de energa. Es limpia, de fcil transporte y disponible. El funcionamiento de los electrodomsticos en el hogar es un ejemplo de su uso.

Energa interna.Se relaciona con los movimientos que tienen las partculas que forman los objetos. Es proporcional a la masa y a la temperatura de los objetos y es importante en los cambios de estado. Por ejemplo, cuando el agua pasa de slido (hielo) a lquido aumenta su energa interna.

Energa qumica.La poseen los compuestos qumicos y se pone de manifiesto en las reacciones qumicas. La poseen los alimentos, las bateras, las pilas, la gasolina o el gas natural.

Energa nuclear.Se genera en el ncleo de los tomos, de donde se liberan grandes cantidades de energa. Se utiliza en las centrales nucleares para producir electricidad.

Energa trmica o calor.Es una energa que pasa de un cuerpo a otro al estar a diferente temperatura. El calor es una energa en trnsito, una forma de pasar energa a otro (desde el de mayor temperatura al de menor temperatura).

LAS FUENTES DE ENERGAEn la Tierra hay enormes cantidades de energa, pero no todas ellas son accesibles y explotables.Las fuentes de energa son el conjunto de recursos existentes en la naturaleza, al alcance del ser humano, y con los cuales se puede obtener la energa necesaria para utilizar en el desarrollo de sus actividades.

Las fuentes de energa se pueden clasificar en:

FUENTEDEFINICINEJEMPLOS

RenovablePrcticamente son inagotables. Se encuentran de forma casi ilimitada en la naturaleza. Hidrulica Solar Elica Biomasa Mareomotriz Geotrmica

No renovableSe encuentran en forma limitada en la naturaleza, disminuyendo sus reservas segn se van consumiendo. Conlleva problemas medioambientales. Petrleo Gas Carbn Uranio

TERMODINMICA

Es la Ciencia que estudia la conversin de unas formas de energas en otras. En su sentido etimolgico, podra decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensin, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relacin con el calor y el trabajo.

LEYES DE TERMODINAMICA:

Las leyes que rigen el comportamiento de la energa se conocen como las leyes de la termodinmica.

Ley Cero (o principio cero) de la Termodinmica:Si dos sistemas estn por separado en equilibrio con un tercero, entonces tambin deben estar en equilibrio entre ellos.Si tres o mas sistemas estn en contacto trmico y todos juntos en equilibrio, entonces cualquier par est en equilibrio por separado.El concepto de temperatura se basa en este principio cero.

Principio de conservacin de la energa: establece que la energa ni se crea ni se destruye, slo se transforma. Es decir: la cantidad total de energa permanece siempre inalterable, y constante, pudiendo transformarse de un estado a otro (por ejemplo la energa calorfica que libera la combustin de fuel puede transformarse en electricidad y en calor ambiental) pero sin crearse o destruirse en este proceso.

Ley de la entropa dice que en la transformacin, la energa pierde su calidad y se degrada disminuyendo sus posibilidades para el aprovechamiento humano; cambiando en un sentido, esto es, de utilizable a inutilizable, de disponible a no disponible, de ordenada a desordenada.

La formulacin de Rudolf Clausius de la ley de la entropa puede formularse como sigue:"Es imposible la existencia de un sistema que pueda funcionar de modo que su nico efecto sea una transferencia de energa mediante calor de un cuerpo fro a uno caliente."

Tercera Ley de la Termodinmica:

"No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos"Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas ms bajas. El cero absoluto es la temperatura terica ms baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partculas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16C. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinmica asegura que es inalcanzable."La entropa de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinmico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero"..

Mecnica cuntica:La Mecnica Cuntica brinda el marco general para describir sistemas fsicos en todas las escalas, desde las partculas elementales (tales como electrones y quarks), ncleos, tomos y molculas hasta la estructura estelar. Su campo de aplicacin es universal, pero es en sistemas de dimensiones muy pequeas donde sus predicciones difieren sustancialmente de aquellas proporcionadas por la fsica clsica. Segn expresa Richard Feynmanen su texto de Mecnica Cuntica, la relacin entre la fsica clsica y la cuntica es la misma que hay entre un objeto y su sombra. La sombra nos permite conocer de manera aproximada la forma del objeto, pero no es posible reconstruir de forma directa el objeto original a partir de su sombra. Anlogamente, en la mecnica clsica existen sombras de las leyes de la mecnica cuntica que son las que verdaderamente se encuentran en la base de todo. La mecnica clsica es solo una aproximacin.La mecnica cuntica resulta as imprescindible para explicar satisfactoriamente todas las propiedades de la materia. Es la base de los desarrollos tecnolgicos de mayor xito de la segunda mitad del siglo XX, constituyendo el fundamento de la qumica moderna y de la microelectrnica actual (incluyendo las computadoras)Tambin llamada fsica cuntica, nos revela aspectos muy sorprendentes de la naturaleza, an ms lejanos a nuestra intuicin que los predichos por la teora de la relatividad. Esto es natural pues nuestra intuicin se desarroll en el mundo macroscpico cotidiano (donde las distancias son mucho mayores que las atmicas y las velocidades mucho menores que la velocidad de la luz), el cual es correctamente descripto por la fsica clsica. En sistemas macroscpicos las predicciones cunticas coinciden normalmente con las de la fsica clsica. Por qu se llama Mecnica Cuntica? Porque en esta teora, las magnitudes fsicas tales como la energa y otras cantidades importantes estn normalmente cuantizadas: No pueden tomar cualquier valor, sino slo ciertos valores posibles, que pueden ser determinados en experimentos o mediante complejas ecuaciones matemticas.Veamos un ejemplo: Mientras que una rueda de bicicleta puede en principio girar alrededor de su eje con cualquier velocidad de rotacin, y por lo tanto tener cualquier energa (energa cintica de rotacin), una molcula rotante (rotador cuntico) puede tener slo determinadas energas de rotacin. As, mientras la energa de la rueda de bicicleta puede variarse en forma continua incrementando su velocidad, la energa de rotacin de una molcula slo puede incrementarse de a saltos.

Los dos pilares de esta teora son: Las partculas intercambian energa en mltiplos enteros de una cantidad mnima posible, denominado quantum (cuanto) de energa. La posicin de las partculas viene definida por una funcin que describe la probabilidad de que dicha partcula se halle en tal posicin en ese instante.Ratificacin ExperimentalEl hecho de que la energa se intercambie de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales, inexplicables con las herramientas de la mecnica clsica, como los siguientes:Segn la Fsica Clsica, la energa radiada por un cuerpo negro, objeto que absorbe toda la energa que incide sobre l, era infinita, lo que era un desastre. Esto lo resolvi Max Plank mediante la cuantizacin de la energa, es decir, el cuerpo negro tomaba valores discretos de energa cuyos paquetes mnimos denomin quantum. Este clculo era, adems, consistente con la ley de Wien (que es un resultado de la termodinmica, y por ello independiente de los detalles del modelo empleado). Segn esta ltima ley, todo cuerpo negro irradia con una longitud de onda (energa) que depende de su temperatura.La dualidad onda corpsculo, tambin llamada onda partcula, resolvi una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partcula y propiedades ondulatorias. Actualmente se considera que la dualidad onda - partcula es un "concepto de la mecnica cuntica segn el cual no hay diferencias fundamentales entre partculas y ondas: las partculas pueden comportarse como ondas y viceversa".Aplicaciones de la Teora CunticaEl marco de aplicacin de la Teora Cuntica se limita, casi exclusivamente, a los niveles atmico, subatmico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero tambin lo es en otros mbitos, como la electrnica (en el diseo de transistores, microprocesadores y todo tipo de componentes electrnicos), en la fsica de nuevos materiales, (semiconductores y superconductores), en la fsica de altas energas, en el diseo de instrumentacin mdica (lseres, tomgrafos, etc.), en la criptografa y la computacin cunticas, y en la Cosmologa terica del Universo temprano.Un nuevo concepto de informacin, basado en la naturaleza cuntica de las partculas elementales, abre posibilidades inditas al procesamiento de datos. La nueva unidad de informacin es el qubit (quantum bit), que representa la superposicin de 1 y 0, una cualidad imposible en el universo clsico que impulsa una criptografa indescifrable, detectando, a su vez, sin esfuerzo, la presencia de terceros que intentaran adentrarse en el sistema de transmisin. La otra gran aplicacin de este nuevo tipo de informacin se concreta en la posibilidad de construir un ordenador cuntico, que necesita de una tecnologa ms avanzada que la criptografa, en la que ya se trabaja, por lo que su desarrollo se prev para un futuro ms lejano.La teleportacin de hombres, aunque en un futuro lejano, es una de las aplicaciones ms atractivas de la mecnica cuntica.En la medicina, la teora cuntica es utilizada en campos tan diversos como la ciruga lser, o la exploracin radiolgica. En el primero, son utilizados los sistemas lser, que aprovechan la cuantificacin energtica de los orbitales nucleares para producir luz monocromtica, entre otras caractersticas. En el segundo, la resonancia magntica nuclear permite visualizar la forma de de algunos tejidos al ser dirigidos los electrones de algunas sustancias corporales hacia la fuente del campo magntico en la que se ha introducido al paciente.Otra de las aplicaciones de la mecnica cuntica es la que tiene que ver con su propiedad inherente de la probabilidad. La Teora Cuntica nos habla de la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, no de cundo ocurrir ciertamente el suceso en cuestin.Cualquier suceso, por muy irreal que parezca, posee una probabilidad de que suceda, como el hecho de que al lanzar una pelota contra una pared sta pueda traspasarla. Aunque la probabilidad de que esto sucediese sera infinitamente pequea, podra ocurrir perfectamente.La teleportacin de los estados cunticos (qubits) es una de las aplicaciones ms innovadoras de la probabilidad cuntica, si bien parecen existir limitaciones importantes a lo que se puede conseguir en principio con dichas tcnicas. En 2001, un equipo suizo logr teleportar un fotn una distancia de 2 km, posteriormente, uno austriaco logr hacerlo con un rayo de luz (conjunto de fotones) a una distancia de 600 m., y lo ltimo ha sido teleportar un tomo, que ya posee masa, a 5 micras de distancia.

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