Elige Armas

Moneda Romana
Numismática
Estadística - Empresas
Nobel Economía
Nobeles Matemáticas
Lunfardo
Madrid Antiguo
Masonería

Paraninfo Universidad Complutense - Portal Fuenterrebollo

LABORATORIO DE FÍSICA: ÓPTICA GEOMÉTRICA

 


Camión a vapor del ingeniero militar Cugnot, 1770. La velocidad era de 4 km/h


Máquina industrial de doble efecto de Watt

Cuando dos cuerpos con temperatura diferente se ponen en contacto, el calor pasa siempre del cuerpo más caliente al cuerpo más frío. El fenómeno de la propagación del calor se explica admitiendo que las moléculas del cuerpo más caliente imprimen mayor impulso a las moléculas del cuerpo más frío, acelerando de esta manera sus movimientos. Este fenómeno continúa hasta que los cuerpos alcancen conjuntamente el equilibrio térmico.

El calor se propaga de tres maneras diferentes: por conducción, por convección y por radiación:

En la propagación por conducción no se produce transporte de materia, sino tan sólo choques moleculares. Es propia de los cuerpos sólidos, en particular de los cuerpos metálicos, mientras que tiene escasa importancia en los líquidos y en los gases.

En la propagación por convección se produce transporte de materia, y tiene lugar únicamente en los fluidos, dada la facilidad de movimiento de sus moléculas cuando existe diferencia de densidad entre las partículas de una misma substancia, motivada por la diversidad de temperatura, provocando, por el principio de Arquímedes, los movimientos convectivos y desplazando a las moléculas juntamente con el calor.

En la propagación por radiación el calor se difunde bajo la forma de ondas electromagnéticas, es decir que pasa de un cuerpo a otro sin que la substancia eventualmente interpuesta participe del fenómeno. Por radiación llega el calor solar hasta la Tierra.

Mientras que en la propagación por conducción y por convección, el calor, para propagarse de un punto a otro, tiene necesidad de un soporte material, en el caso de la propagación por radiación esta base material no es necesaria.

DILATACIÓN

La dilatación térmica consiste en un aumento súbito del volumen de un cuerpo cuando se le suministra calor, sin que se produzca cambio alguno en su estado de agregación molecular. Esta variación de volumen se explica al observar que, con el aumento de la temperatura, las moléculas del cuerpo se aceleran y, en consecuencia, se produce un aumento de las dimensiones del espacio intermolecular.

Cuando un cuerpo presenta una dimensión muy preponderante con respecto a las otras dos, como una varilla, puede tenerse en cuenta únicamente la variación de aquella dimensión despreciando las variaciones experimentadas por las otras dos dimensiones. Al haber un aumento de temperatura se produce una dilatación lineal.

Para observar este fenómeno de la dilatación lineal se utilizan los llamados pirómetros de cuadrante. Una varilla metálica está sujeta por sus extremos, uno de ellos en contacto con un mecanismo de palanca angular que hará mover una aguja sobre una escala graduada.

Debajo de la varilla hay un sistema calefactor, formado por un depósito que contiene alcohol de quemar y mechas. Inicialmente, cuando no se aplica calor a la varilla, la aguja marca cero en la escala. Al calentar hay un aumento de temperatura en toda su longitud y se produce una dilatación en la varilla, produciendo un incremento de sus dimensiones, y por tanto, la aguja se verá presionada e irá marcando sobre el cuadrante el aumento de longitud producido. Así se podrá determinar el coeficiente de dilatación lineal del sólido que compone la varilla.

El coeficiente de dilatación lineal viene dado por el alargamiento que experimenta la unidad de longitud cuando la temperatura se eleva un grado.


Pirómetro de segundo cuadrante, fabricado por Sogeresa (Madrid), en madera, metal, latón y
alcohol, dimensiones 45x10x18,5 cm


Pirómetro de tercer cuadrante, fabricado por Kelvin (Madrid), en madera,
latón y alcohol, dimensiones 36x10x22 cm

En un cuerpo sólido la dilatación se produce en todas sus direcciones dimensionales y entonces el aumento de volumen toma el nombre de dilatación cúbica.

   

Este fenómeno es fácil de observar mediante el llamado piroscopio o anillo de S'Gravesande.

El aparato es de lo más sencillo, pero de una efectividad didáctica enorme. Está formado por un soporte en forma de J invertida y una cadenilla que sujeta una esfera metálica, que puede pasar libremente por el anillo a la temperatura ambiente.

El diámetro del anillo y el de la esfera son muy parecidos, de manera que ésta puede pasar a través del anillo de forma muy ajustada.

Para mostrar la dilatación cúbica de la esfera metálica basta con calentarla, durante tres o cuatro minutos, con una lamparilla de alcohol, sin calentar el anillo (para lo cual se retira éste haciéndole girar). Una vez realizado éste proceso podemos observar que la esfera ya no puede pasar a través del anillo, ya que ha aumentado el volumen, y por tanto el diámetro de la esfera es ahora mayor que el del anillo.

Una vez que se haya enfriado la esfera, se contrae, recobrando el volumen anterior y por tanto volverá a poder pasar a través del anillo.

Un cuerpo sólido hueco se dilata como si fuera compacto.

Se denomina coeficiente de dilatación cúbica al amento que experimenta la unidad de volumen cuando la temperatura se eleva un grado.

El coeficiente de dilatación cúbica de un sólido es tres veces mayor que el coeficiente de dilatación lineal del mismo sólido.

Una aplicación importante de la dilatación de los metales es la de los llamados péndulos compensados o compensadores.

Deben su nombre a la circunstancia de estar construidos de modo que su longitud es invariable, a pesar de los cambios de temperatura. Se han ideado muchos medios para compensar los efectos de la temperatura. La idea fue debida a J. Leroy en 1738.

Consta de dos o más cuadros incompletos de hierro y de latón alternativamente, sostenidos por travesaños horizontales. Las dos varillas exteriores son de hierro, las dos inmediatas de latón algo más cortas, y la central también de hierro. La lenteja del péndulo está sujeta a la varilla central. Cuando aumenta la temperatura el hierro se dilata y hará bajar la lenteja tendiendo a bajar el centro de oscilación; pero la dilatación del latón la hará subir, compensando las dilataciones.

El problema está reducido, a dar tal longitud a las varillas, que sea inversamente proporcional a sus coeficientes de dilatación lineal.

El calor se puede propagar a distancia de unos cuerpos a otros. Lo hace mediante ondas electromagnéticas, invisibles. Se puede apreciar fácilmente esta radiación utilizando tomando un espejo parabólico, bien pulimentado.

En el foco del espejo se coloca un recipiente adecuado con un cuerpo caliente. El calor se reflejará paralelamente al eje de la parábola y podremos apreciar el calor proveniente del espejo a una distancia de 5 ó 6 metros.

CAMBIOS DE ESTADO: MARMITA DE PAPIN, PRIMERA OLLA EXPRESS

Los cuerpos se pueden presentar en uno de estos tres estados: sólido, líquido o gaseoso, según las condiciones externas a que se encuentran sometidos; variando dichas condiciones externas puede ocurrir que los cuerpos pasen de un estado a otro, es decir que cambien de estado. En general, para obtener un cambio de estado debe suministrarse o extraerse calor al cuerpo en cuestión.

La fusión es el paso de un cuerpo del estado sólido al estado líquido; la transformación inversa, o sea, el paso de un cuerpo del estado líquido al estado sólido se denomina solidificación.

El paso de un cuerpo desde el estado líquido al gaseoso de llama vaporización. Cuando la vaporización se produce lentamente, sólo en las capas superficiales y es independiente de la temperatura, toma el nombre de evaporación; si tiene lugar de modo tumultuoso, rápido, en cada punto del líquido y a temperatura definida dependiente de las presión, toma el nombre de ebullición.

Si se calienta el agua contenida en un recipiente abierto, puede observarse que la evaporación (a medida que se aumenta la temperatura) aumenta y parte del aire que lleva en disolución se libera en forma de burbujas que salen a la superficie; continuando con el calentamiento, se observa que poco a poco se desprenden de las paredes del fondo burbujas de vapor de agua que ascienden disolviéndose primero y luego rompiéndose en la superficie. Así se forman infinidad de estas burbujas, que se desplazan hacia la superficie de manera tumultuosa, en tanto que una gran cantidad de vapor se desprende del líquido: en ese instante se dice que el agua está en ebullición o que hierve.

El proceso tiene lugar más rápidamente cuanto mayor es la cantidad de calor suministrada. Cuando la presión aumenta o disminuye, el punto de ebullición sube o baja. En 1679, el médico francés Denis Papin, idea un aparato para observar esto.

Se conoce como la Marmita de Papin; es una caldera de hierro con paredes muy sólidas y gruesas, con una cubierta que la cierra herméticamente y provista de una válvula de seguridad, que se afloja sólo cuando la presión se considera peligrosamente elevada, el agua es sometida a una presión permanentemente creciente, proveniente de su propio vapor, con lo que el proceso de ebullición puede retardarse de manera notable.

Si mediante la válvula se ejerce una presión sucesiva de 2, 10, 20 atm, la temperatura de ebullición del agua pasa respectivamente a 120, 180 y 215 ºC. Este aparato permite cocer alimentos con gran rapidez, y se utiliza también para esterilizar objetos.

MÁQUINAS TÉRMICAS

Las máquinas térmicas son aparatos que transforman el calor en trabajo mecánico. Dicha transformación requiere un agente intermedio, tal como un gas o un vapor, que por efecto del calor adquiere fuerza expansiva suficiente para poner en movimiento órganos adecuados a la ejecución de un trabajo dado.

Según el agente empleado, las máquinas térmicas se denominan como : máquina de vapor, de aire caliente y motores de combustión interna.

Se denomina máquina de vapor a aquella máquina térmica cuyo agente de transformación es el vapor de agua.

MÁQUINA DE VAPOR

Toda máquina de vapor consta de dos partes principales: el generador o caldera, donde se produce el vapor, y el motor, que convierte la fuerza expansiva del vapor en trabajo mecánico. El inventor de la máquina de vapor verdaderamente utilizable fue el inglés James Watt en 1796.

El vapor que proviene de una caldera pasa por una tubería, penetra en el cilindro de la máquina y empuja un émbolo de un extremo a otro del cilindro (puntos muertos de la carrera del cilindro); al final del recorrido del émbolo, se conduce el vapor al otro lado del mismo, empujándolo en sentido contrario. Mediante un dispositivo adecuado se repite este ciclo continuamente.

El movimiento de vaivén resultante se transforma, en el volante, en circular continuo, por medio de una biela manivela. El volante equilibra las fuerzas alternativas que se desarrollan durante el movimiento de vaivén citado, ayuda a rebasar los puntos muertos y hace el movimiento circular más uniforme.

La entrada del vapor en el cilindro, a uno y otro lado del émbolo, se regula mediante distribuidores o válvulas. Suele emplearse, por lo general, una válvula para la admisión y otra, independiente de la primera, para el escape.

Los motores de combustión interna, diseñados a finales del siglo XIX, son los que utilizan la energía debida a una inflamación de una mezcla explosiva en el interior de un cilindro. Dicha mezcla puede estar constituida por vapores o gases combustibles, derivados del petróleo, diversos y cierta cantidad de aire. Los más frecuentes en la actualidad utilizan gasolinas o gasoil.

Aunque varían de forma y condiciones notablemente, su modo de funcionar es esencialmente el siguiente: mediante el movimiento de un volante o de una manivela exterior, producido por un motor accesorio, adquiere el pistón su movimiento inicial y comienza por actuar como bomba aspirante que obliga a penetrar por uno o por dos conductos la mezcla explosiva; por medio de un tubo se hace pasar la mezcla hasta un depósito llamado carburador. Cuando el pistón retrocede, cierra la válvula de admisión y comprime el gas admitido.

Cuando la compresión llega a su máximo, ha de producirse la inflamación de la mezcla; y para ello se hace saltar una chispa eléctrica en el interior de cada cilindro, mediante las bujías.

La presión que adquiere la mezcla gaseosa al inflamarse impulsa al pistón rápidamente en el sentido de su primer movimiento. Por último, la inercia del volante, o la velocidad adquirida por el eje durante la expansión, obliga al pistón a retroceder de nuevo, y a expulsar los gases quemados, por el tubo de escape.

Son, por lo tanto, cuatro períodos o tiempos los que constituyen la función completa o ciclo del motor: 1º, admisión o aspiración de la mezcla; 2º, compresión; 3º, explosión y expansión; 4º, expulsión de los gases quemados. De todos estos tiempos, el único eficaz, o sea, en el que la máquina desarrolla trabajo, es el 3º.

Los motores de combustión interna han sustituido a la mayoría de las máquinas de vapor debidos a sus considerables ventajas: aprovecha mucho mejor la energía calorífica que las máquinas de vapor; el origen de la energía se sitúa en el interior del cilindro, y no en el exterior como en la máquina de vapor; no es necesario cargar con grandes cantidades de agua; los vapores empleados son los propios del combustible al explosionar; el tamaño del motor se reduce considerablemente y facilita su instalación en vehículos pequeños; este motor es capaz de realizar en poco tiempo una gran variación de energía, comparado con las máquinas de vapor.

   Laboratorio de Física del Instituto de Primera Clase del Noviciado (actual Instituto del Cardenal Cisneros), que 1847 dejó de formar un sólo cuerpo con la Facultad de Filosofía de la Universidad    Literaria de Madrid. Posteriormente, con la Gloriosa Revolución de 1868, conviviendo con la Universidad Central, es el escaparate de las reformas pedagógicas que se deseaban introducir en la    Segunda Enseñanza. Este trabajo no hubiera sido posible sin el profesor y amigo, don Francisco Ruiz Collantes.

IES. CARDENAL CISNEROS
Calle de los Reyes, 4      28015 - Madrid
Educación Secundaria - Bachillerato - Esgrima
- Inglés - Alemán - Francés
      Tfo: 915 224 869

Juan Álvarez Mendizábal (1790-1853), Presidente del Gobierno, Ministro de Hacienda en cuatro ocasiones  -  Portal Fuenterrebollo


Socios Honor Antiguos Alumnos 

Exposición Madrid Antiguo Color